Mitochondrialna produkcja energii – team work doskonały

Mitochondria to organelle komórkowe, które odpowiadają w naszym organizmie za produkcję energii w postaci tzw. cząstek ATP (adenozynotrójfosforanu). W ciągu doby osoba dorosła o niewielkiej aktywności fizycznej produkuje szacunkowo tyle adenozynotrójfosforanu ile waży¹. Mitochondria muszą przy tym pracować bez przerwy, a to dlatego, że ATP nie podlega magazynowaniu.

Do narządów, które posiadają największe ilości mitochondriów, a w konsekwencji produkujących (i zużywających) największe ilości energii, zaliczamy mięśnie, w tym mięsień sercowy, wątrobę oraz układ nerwowy. Zapotrzebowanie ludzkiego mózgu na energię stanowi nawet 70% całkowitego dobowego wolumenu wytworzonego ATP. Nic więc dziwnego, że zaburzenia funkcjonowania mitochondriów (tzw. mitochondriopatie) przejawiają się bardzo często w formie problemów ze strony układu nerwowego (z demencją, chorobą Alzheimera, chorobą Parkinsona, epilepsją i autyzmem włącznie). 

Jednocześnie pozyskiwanie ATP to skomplikowany proces, którego pomyślny przebieg wiąże się z prawidłowym funkcjonowaniem licznych enzymów mitochondrialnych. Ogólnie rzecz biorąc pełna sprawność tych enzymów, zależy od naszego genotypu (brak mutacji w obrębie odpowiednich genów) oraz od obecności tak zwanych kofaktorów tych enzymów, czyli substancji, które przyłączają się do białkowych cząsteczek enzymów, aktywując je w ten sposób i umożliwiając przypisane im działanie².

Ponieważ przedmiotem tego artykułu nie jest sam proces produkcji energii w obrębie mitochondriów, lecz kofaktory uczestniczących w tym procesie enzymów, w dalszej części tekstu skoncentrujemy się zaledwie na poszczególnych mitochondrialnych enzymatycznych substancjach białkowych oraz ich bezpośrednich aktywatorach.  W tym miejscu wspomnimy zaledwie, iż najważniejszym elementem pozyskiwania ATP w mitochondriach jest tak zwany cykl Krebsa (nazywany również cyklem kwasu cytrynowego) oraz stanowiący niejako kontynuację tego cyklu tak zwany łańcuch oddechowy (transport elektronów), jak również beta-oksydacja kwasów tłuszczowych.

Jeden za wszystkich, wszyscy za jednego – mitochondrialne enzymy odpowiadające za produkcję energii

Spożyte przez nas składniki odżywcze: węglowodany, białka i tłuszcze stanowią dla nas między innymi źródło energii. Z punktu widzenia funkcjonowania mitochondriów najważniejszym prekursorem komórkowego ATP są tłuszcze. Procesem, który – mówiąc w uproszczeniu – przygotowuje cząsteczki lipidów do dalszej przeróbki na energię – jest tak zwana beta-oksydacja kwasów tłuszczowych.

Organizm człowieka pozyskuje ATP na kilka różnych sposobów, jednak najważniejszym, a jednocześnie najwydajniejszym jest metabolizowanie kwasów tłuszczowych. Schematycznie proces ten możemy przedstawić następująco:

beta – oksydacja kwasów tłuszczowych + łańcuch oddechowy + cykl Krebsa = ATP

I Etap: Beta oksydacja kwasów tłuszczowych polega na rozkładzie długołańcuchowych kwasów tłuszczowych na dwuwęglowe jednostki – acetylo – koenzym A (i ewentualnie propionylo-CoA), który w dalszej kolejności ulega włączeniu w cykl Krebsa. Do prawidłowego przebiegu tego procesu niezbędna jest obecność kofaktora NAD+. Ponadto do transportu dużych cząsteczek kwasów tłuszczowych (zawierających powyżej 15 atomów węgla w cząsteczce) niezbędna jest nam jeszcze jedna substancja – karnityna⁹. Ludzki organizm może syntetyzować karnitynę samodzielne (z aminokwasu lizyna, z udziałem S-adenozylometioniny oraz witaminy C, witaminy B6 i żelaza¹⁰), ale znaczną jej część pozyskujemy wraz z pożywieniem (ponieważ spożywczym źródłem karnityny są przede wszystkim produkty odzwierzęce, wegetarianie, a przede wszystkim weganie są narażeni na niedobory tego aminokwasu).

II Etap: Kolejnym krokiem na drodze pozyskiwania cząsteczek ATP w mitochondriach jest wspomniany już cykl Krebsa, czyli cykl kwasu cytrynowego.

Sprawny przebieg tego cyklu reguluje OSIEM (!) różnych enzymów, z których większość do sprawnego działania wymaga dodatkowej obecności odpowiednich kofaktorów.  Do enzymów tych należą kolejno:

1. syntaza cytrynianowa,
2. akonitaza – zawiera centra żelazowo – siarkowe,
3. izocytrynian – jego centrum aktywne składa się z ułożonych w różnej kolejności aminokwasów: tyrozyna, asparagina, seryna, arginina, i lizyna, katalizatorem dla izocytrynianu jest magnez lub mangan,
4. kompleks dehydrogenazy alfa – ketoglutaranowej, który wymaga następujących kofaktorów:

• tiamina (witamina B1),
• witamina B2
• amid kwasu alfa-liponowego,
• koenzym A (tzw. aktywna postać kwasu pantotenowego, czyli witaminy B5, może powstawać też np. z cysteiny).
• NAD
• magnez

5. tiokinaza bursztynianowa,
6. dehydrogenaza bursztynianowa
7. fumaraza,
8. dehydrogenaza jabłczanowa – jej działanie wymaga obecności NAD+ (prekursor: witamina B3).

Ostatnim, lecz niemniej istotnym etapem pozyskiwania energii w organizmie jest tak zwany łańcuch oddechowy, czyli cykl łącznie pięciu białkowych kompleksów enzymatycznych, które odpowiadają za przebieg tak zwanych reakcji redoks i transport elektronów. Powstałe w ten sposób różnice gradientów prowadzą do wytworzenia energii w postaci molekuł ATP.

Łańcuch oddechowy

Łańcuch oddechowy, który bywa też nazywany łańcuchem transportu elektronów, to kompleks enzymatyczny złożony z czterech enzymów, służących do przenoszenia elektronów oraz jednego dodatkowego enzymu, odpowiedzialnego za produkcję ATP.

Do enzymów łańcucha oddechowego należą kolejno:

• kompleks I / dehydrogenaza NADH – koenzym Q,
• kompleks II / dehydrogenaza FADH2 / dehydrogenaza bursztynian – koenzym Q.

uwaga: jako jedyny uczestniczy zarówno w cyklu Krebsa jak też w łańcuchu oddechowym.

W kompleksach I oraz II w przenoszeniu elektronów bierze udział witamina B₂ (w formie FMN, czyli mononukleotyd flawinowy oraz w formie FAD) oraz koenzym Q10.

• kompleks III reduktazy cytochromu c (do sprawnego działania wymaga obecności żelaza),
• kompleks IV / oksydaza cytochromu C / oksydaza cytochromowa (do sprawnego działania wymaga obecności miedzi),
• kompleks V syntaza ATP (odpowiada za syntezę molekuł energii ATP z ADP).

Uwolniony wodór łączy się z tlenem w ramach reakcji z mieszaniną piorunującą, tworząc wodę i wydzielając energię (ATP). Fosforylacja oksydacyjna jest znacznie wydajniejszym sposobem pozyskiwania energii dla komórek niż glikoliza czy fermentacja, dlatego stanowi kluczowy etap oddychania komórkowego. Jak łatwo się domyślić, niedobór którejkolwiek z substancji chemicznych, jakie pełnią wobec enzymów łańcucha oddechowego funkcję kofaktorów, zaburza produkcję energii w mitochondriach, a tym samym sprzyja niewydolności poszczególnych naszych narządów oraz układów narządów i zagraża naszemu zdrowiu.

Reklama

QuinoMit® Q10 Fluid – Ubichinol MSE Sprawdź

Magnez MSE Sprawdź

B-Komplex MSE Sprawdź

Cynkomit MSE Sprawdź

Selemit MSE Sprawdź

Witamina C MSE matrix Sprawdź

„Gdzie drwa rąbią, tam wióry lecą”… – produkcja energii a stres oksydacyjny

Procesy związane z mitochondrialnym procesem transportu elektronów, czyli tak zwanym łańcuchem oddechowym, mają pewien groźny skutek uboczny – sprzyjają nasilonej produkcji wolnych rodników tlenowych. Jeżeli ilość krążących w organizmie reaktywnych form tlenu jest na tyle wysoka, iż powoduje przeciążenie naszego systemu ochrony przeciwrodnikowej, mówimy wówczas o tak zwanym stresie oksydacyjnym⁷. Zauważmy jednocześnie, iż wraz ze wzrostem ilości wytwarzanego ATP (co wiąże się z kolei ze zwiększonym popytem na energię, na przykład w wyniku intensywnej aktywności fizycznej lub umysłowej, stresu, infekcji itp.) rośnie również ilość samych rodników. W konsekwencji oznacza to naturalnie konieczność zwiększenia nacisku na zabezpieczenie mitochondriów przed negatywnymi skutkami procesów oksydacyjnych, a w praktyce – zwiększenia dobowej dawki przeciwutleniaczy.

Ponieważ mitochondrialne enzymy antyoksydacyjne takie jak dysmutaza ponadtlenkowa SOD czy peroksydaza glutationowa mają ograniczoną wydajność (która ulega dodatkowemu zmniejszeniu w przypadku występowania mutacji genetycznych), warto zadbać o to, aby nasz komórkowy system ochronny cechował się możliwie jak największym zróżnicowaniem oraz aby nie zabrakło w nim żadnego z niezbędnych kofaktorów – wymienionych przed chwilą enzymów. Do mikroskładników odżywczych, które uzupełniają właściwości ochronne SOD, katalazy oraz peroksydazy glutationowej zaliczamy^5,6:

– witaminę E (rozpuszczalną w tłuszczach) / witamina E jest nie tylko samodzielnym przeciwutleniaczem, lecz pełni również kofaktora innego ważnego enzymu: reduktazy glutationowej. Reduktaza glutationowa odpowiada za recykling zużytego (utlenionego) glutationu.

– witaminę C (rozpuszczalną w wodzie. Witamina C pełni między innymi istotną rolę reduktora witaminy E, która sama stała się przejściowo rodnikiem).

– OPC – synergicznie nasilają antyoksydacyjne działanie witaminy E oraz C.

– antocyjany i bioflawonoidy – wtórne naturalne składniki odżywcze, a dokładniej niebieskie, czerwone i fioletowe pigmenty w naturalnych produktach spożywczych.

– kwas alfaliponowy⁸ – rozpuszczalny zarówno w wodzie, jak i tłuszczach. Uwaga: kwas alfa-liponowy jest jednocześnie substancją chelatującą,

a także:

– karotenoidy i beta-karoten,

– luteinę i zeaksantynę,

– likopen,

– astaksantynę,

– kwasy fenolowe.

Ponieważ procesy oksydacyjne prowadzą nie tylko do występowania różnych chorób, w tym neurodegeneracyjnych, układu krążenia czy nowotworów, lecz również współodpowiadają za procesy starzenia w organizmie, naszym celem powinno być utrzymywanie maksymalnie zróżnicowanego i stabilnego bufora antyoksydacyjnego. Warto podkreślić w tym miejscu, iż szczególnie sportowcy, osoby mające zawodowo kontakt z toksycznymi substancjami, osoby pozostające pod wpływem przewlekłego stresu, pacjenci ze stwierdzonymi mutacjami w obrębie SOD i lub zaburzeniami endogennej syntezy glutationu, osoby cierpiące z powodu ostrych lub przewlekłych stanów zapalnych, chorób serca bądź układu nerwowego czy wreszcie nowotworów, dietetyczne źródła przeciwutleniaczy (warzywa, owoce, przyprawy), mogą okazać się niewystarczające dla pokrycia dobowego zapotrzebowania na te substancje.

Podsumowanie:

Do najważniejszych kofaktorów mitochondrialnej produkcji energii zaliczamy³:

Mikroskładniki odżywcze uczestniczące w beta-oksydacji kwasów tłuszczowych:

• FAD (ryboflawina, witamina B2), NADH (niacyna, witamina B3), koenzym Q₁₀,
• L-karnityna (jako transporter kwasów tłuszczowych z oraz do wnętrza mitochondriów).

Cykl Krebsa

• żelazo, magnez, mangan,
• witaminy B₁, B₂, B₃,
• cysteina (jako prekursor glutationu), kwas alfaliponowy.

Transport elektronów w obrębie tak zwanego łańcucha oddechowego:

• Koenzym Q₁₀ (transport elektronów),
• Ryboflawina (witamina B2, jako kofaktor kompleksu II),
• Żelazo i siarka,
• NADH (niacyna, witamina B3),
• Miedź (jako element kompleksu IV),
• Magnez (finalna produkcja ATP).

Mitochondrialny system antyoksydacyjny⁴:

• Cynk oraz miedź (jako kofaktory dysmutazy ponadtlenkowej, SOD1 oraz SOD3),
• Mangan (jako kofaktor dysmutazy ponadtlenkowej SOD2),
• Żelazo (jako kofaktor enzymu katalaza),
• Selen (jako kofaktor peroksydazy glutationowej),
• Aminokwasy cysteina, glutamina i glicyna (jako materiał budulcowy do produkcji glutationu).

Zapewnienie organizmowi dostatecznej ilości wyżej wymienionych substancji stanowi konieczny warunek efektywnej pracy mitochondriów, a przez to decyduje o naszej zdolności do produkowania dostatecznej ilości energii.

Jeżeli naszym komórkom brakuje cząstek ATP, poszczególne narządy i układy narządów tracą możliwość prawidłowego funkcjonowania. Dlatego też odpowiednio urozmaicona dieta, a w razie stwierdzenia niedoborów – suplementacja wspomnianych składników odżywczych to podstawa zarówno leczenia zaburzeń funkcjonowania mitochondriów (mitochondriopatii), jak również ich profilaktyki.

Autor: Sylwia Grodzicka