Mitochondria są elektrowniami naszych komórek. Są miejscem w komórkach, gdzie wytwarzana jest energia komórkowa w postaci ATP. Około 90% ATP jest wytwarzane w mitochondriach. Do tego potrzebują nie tylko składników z naszego pożywienia i tlenu, ale także całej gamy substancji niezbędnych do życia, tzw. mitoceutyków. Należą do nich na przykład koenzym Q10, ale także witaminy, takie jak ryboflawina, niacynamid, wiele aminokwasów, minerały, takie jak selen, cynk, magnez itp. Jednak stwierdzenie, że mitochondria są elektrowniami naszych komórek, jest dużym uproszczeniem. Dzisiaj wiemy, że mitochondria są wielofunkcyjnymi organellami i że poprzez tworzenie i uwalnianie różnych substancji mogą one wpływać na bardzo ważne procesy komórkowe, takie jak apoptoza, ekspresja genów, metabolizm, stany zapalne, a nawet epigenetykę komórek. Również koncepcja, że mitochondria są organellami wewnątrzkomórkowymi, jest nieco przestarzała. Od około pięciu lat wiemy, że mitochondria występują w stężeniu do 3,7 miliona na ml we krwi swobodnie płynącej.
Pokażę Państwu pięć kompleksów fosforylacji oksydacyjnej, które są ważne dla produkcji ATP w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Pierwsze cztery kompleksy tworzą łańcuch oddechowy. Tutaj następuje transfer elektronów. Energia uwolniona w tym procesie jest wykorzystywana do pompowania protonów do przestrzeni międzybłonowej. Ten gradient protonowy, zwany również gradientem elektrochemicznym, jest następnie wykorzystywany przez kompleks V, syntezę ATP, do tworzenia ATP lub raczej zregenerować go z ADP.
ADP musi bowiem zostać tutaj sfosforylowane i przekształcone w ATP. Następnie chciałbym zwrócić Państwa uwagę na ten związek. Jest to koenzym Q10. Koenzym Q10 jest nośnikiem elektronów w łańcuchu oddechowym. Przenosi elektrony między kompleksem I a III lub między kompleksem II a III. Koenzym Q10 jest substancją wytwarzaną przez organizm, znajduje się we wszystkich komórkach naszego organizmu i występuje w różnych stopniach utlenienia. Tutaj widzimy dwa z nich, ubichinon i ubichinol. Tutaj zaznaczyłam na czerwono różnicę między tymi dwoma cząsteczkami – polega ona na dwóch elektronach i dwóch protonach. Tutaj ubichinol – jest to najsilniejszy zmiatacz rodników w naszych komórkach. Jest on w stanie reagować z wolnymi rodnikami i przeciwdziałać im. Widzimy tutaj, że ubichinol ulega utlenieniu do ubichinonu – ale w dwóch etapach. Po utracie pierwszego elektronu ubichinol przekształca się w ubisemichinon, a po utracie drugiego elektronu przekształca się w ubichinon. Jak już wspomniałam, jest to utleniona forma Q10. Redukcja zachodzi w kompleksie I i II łańcucha oddechowego. Wyjaśnię to bardziej szczegółowo później. Jednak ubichinon może być również redukowany poza mitochondriami. Do tego potrzebujemy trzech różnych enzymów. Na tym schemacie pokazuję jeden z nich. Reduktaza tioredoksynowa. Jest to enzym zawierający selen w centrum aktywnym. Jest to selenoproteina. Istnieją również inne enzymy, które potrzebują również cynku. To pokazuje nam, jak ważne jest to również dla produkcji koenzymu Q10, że selen jest obecny w wystarczającej ilości.
Ryboflawina jest witaminą rozpuszczalną w wodzie. Po prawej stronie widzimy strukturę ryboflawiny. Składa się ona z cząsteczki rybitolu i grupy flawinowej. W tej postaci ryboflawina jest nieaktywna. Ryboflawina jest aktywna tylko w postaci koenzymów, których są dwa rodzaje. Pierwszym koenzymem jest mononukleotyd flawinowy. Jeśli porównamy strukturę , jedyną różnicą jest grupa fosforanowa, która jest przyłączana przez enzym ryboflawina kinaza. Drugim koenzymem jest dinukleotyd flawinoadeninowy. Widzimy tutaj różnicę w postaci całej cząsteczki AMP. Do tego potrzebujemy ATP i oczywiście obie reakcje są odwracalne. Ważne jest, aby wiedzieć, że ponad 100 różnych białek FLAVO w organizmie zawiera grupy FLAVIN jako kofaktory, a ich aktywność zależy w znacznym stopniu od tych grup. Ale jaki jest związek między ryboflawiną a produkcją energii? Zaraz wam to pokażę. Dwa kompleksy w łańcuchu oddechowym są również flawoproteinami. Mamy tutaj kompleks I, zwany również „NADH: ubichinon-oksydoreduktaza”, który zawiera jako kofaktor FMN, mononukleotyd flawinowy. A ten kofaktor jest wspomagającym transfer elektronów między NAD, czyli substratem, a Q10. Następnie widzimy, że w kompleksie I Q10 ulega redukcji. Wchodzi jako ubichinon, wychodzi jako ubichinol, a następnie przechodzi do kompleksu III. Kompleks II, dehydrogenaza bursztynianowa, jest bardzo interesujący, ponieważ enzym ten jest częścią łańcucha oddechowego, ale także cyklu cytrynowego. Zawiera on jako kofaktor FAD, flawinadeninodynukleotyd, a kofaktor przenosi elektrony z bursztynianu do Q10. Oznacza to, że w tym kompleksie ubichinon jest również redukowany do ubichinolu. Ryboflawina po wchłonięciu w jelicie i krwi musi następnie dostać się do komórek i mitochondriów. Istnieją różne transportery, które to umożliwiają. Tutaj widzimy na przykład, że ryboflawina dostaje się do komórek, a następnie do mitochondriów. Istnieje również transporter dla dinukleotydu flawinoadeninowego.
Należy również podkreślić, że ryboflawina jest ważna dla naszego układu nerwowego. Mutacje w odpowiednich białkach transportowych korelują z wadami neurologicznymi. Podobnie jak wszystkie witaminy rozpuszczalne w wodzie, ryboflawina nie może być magazynowana w organizmie. Dlatego konieczne jest jej regularne dostarczanie. Witamina B3 występuje w dwóch różnych formach – kwasu nikotynowego lub niacynamidu. Widzimy tutaj, że jedyna różnica polega na grupie amidowej. Podobnie jak w przypadku witaminy B2 – występuje ona początkowo w postaci nieaktywnej i musi zostać aktywowana poprzez przekształcenie w ważne kofaktory. Kofaktorami są adenozyno-dinukleotyd niacynamidowy lub NAD. Lub NADP, jedyna różnica między nimi polega na grupie fosforanowej
Ważne jest, aby wiedzieć, że ponad 400 różnych enzymów w organizmie potrzebuje NAD do swojego funkcjonowania. Pokażę Państwu przykład, którym jest reduktaza glutationowa. Jest to ważny enzym przeciwutleniający, odpowiedzialny za redukcję glutationu. Widzimy tutaj utleniony glutation, który jest przekształcany w zredukowany glutation przez reduktazę glutationową. Jest to bardzo ważne, ponieważ jest to jeden z naszych najsilniejszych przeciwutleniaczy w komórkach. Do tego potrzebujemy reduktazy glutationowej, EAD i NADPH. Te kofaktory pochodzą z ryboflawiny (witamina B2) i witaminy B3. Obie witaminy są ważnymi witaminami przeciwutleniającymi. Dlatego też chronią one nasze komórki przed stresem oksydacyjnym. Jednak NAD nie tylko przyczynia się do produkcji energii i ochrony przed stresem oksydacyjnym w metabolizmie redoks, ale jest również niezbędnym kofaktorem wielu ważnych enzymów. Należą do nich między innymi enzymy potrzebne do naprawy DNA, takie jak ADP-rybozylotransferazy lub PARP. Ponadto NAD jest centralnym kofaktorem sirtuin, deacetylaz, które mogą również powodować zmiany epigenetyczne w naszego DNA, wpływając w ten sposób na ekspresję genów. NAD odgrywa również ważną rolę w naszym układzie odpornościowym i ma działanie przeciwzapalne. Na przykład NAD zmniejsza uwalnianie cytokin prozapalnych.
Choroby neurologiczne są również konsekwencją zaburzeń fosforylacji oksydacyjnej. Pokażę Państwu tabelę. Po lewej stronie znajduje się lista różnych chorób neurologicznych. Mamy na przykład zespół Leigha, encefalopatię MELAS lub podatność na chorobę Alzheimera, Parkinsona itp. W środkowej części tabeli widzimy cechy kliniczne tych chorób. A po prawej stronie widzimy, że choroby te powstają w wyniku mutacji w jednym lub kilku kompleksach fosforylacji oksydacyjnej łańcucha oddechowego. Najczęściej jednak dotyczy to kompleksu I. Widzimy tutaj, że prawie wszystkie choroby mają problemy z kompleksem I. Dlaczego kompleks I jest tak podatny na dysfunkcję? Wynika to ze złożonej struktury kompleksu I. Widzimy tutaj szczegółowo strukturę kompleksu I. Składa się on z 45 różnych podjednostek. Siedem z nich jest kodowanych w mitochondriach. Pozostałe 38 jest kodowanych w jądrze komórkowym, syntetyzowanych w cytoplazmie, a następnie transportowanych do mitochondriów. Ponadto istnieje około 20 innych białek pomocniczych, które wspomagają montaż tej złożonej struktury. Kompleks I wygląda tutaj jak litera L. Na przykład tutaj znajduje się przestrzeń międzybłonowa skierowana w dół. Widzimy, że kompleks I jest podzielony na trzy różne moduły. Znajduje się tu moduł N, w którym znajduje się miejsce wiązania NADH. NADH przekazuje tam swoje elektrony do mononukleotydu flawinowego (FMN). Stamtąd elektrony są przekazywane przez różne klastry żelaza i miedzi, aż w końcu są przenoszone do ubichinonu. Ubichinon wiąże się tutaj z modułem Q.
Widzimy tutaj, jak ubichinon jest redukowany do ubichinolu, który następnie może przekazywać elektrony do kompleksu III. W module P widzimy kanały, przez które cztery protony są pompowane do przestrzeni międzybłonowej w celu wytworzenia gradientu protonowego. Ale co dzieje się w przypadku dysfunkcji kompleksu I? Nie chodzi tylko o zmniejszoną produkcję ATP, ale także o zwiększony stres oksydacyjny. ROS są produktami ubocznymi produkcji ATP. Kiedy mitochondria wytwarzają ATP, powstają również reaktywne formy tlenu, zwłaszcza w kompleksach I i III. Zdrowa komórka powinna jednak funkcjonować w taki sposób, aby jej mitochondria wytwarzały dużo energii, uwalniając przy tym tylko niewielką ilość wolnych rodników. Wolne rodniki są ważne, pełnią również istotne funkcje w komórkach. Potrzebujemy ich, ale w niewielkich stężeniach. Dlatego mitochondria i całe komórki dysponują bardzo złożonymi systemami antyoksydacyjnymi, które kontrolują stężenie wolnych rodników. Jednak w przypadku dysfunkcji kompleksu I ubichinon nie ulega całkowitej redukcji i pozostaje w postaci ubisemichinonu, który sam w sobie jest rodnikiem i jest bardzo reaktywny. Może on na przykład wchodzić w interakcje z cząsteczkami tlenu, tworząc anion ponadtlenkowy.
Anion ponadtlenkowy jest bardzo reaktywną substancją, która wchodzi w interakcje z białkami, lipidami w błonach komórkowych lub na przykład z mitochondrialnym DNA, powodując w ten sposób wiele uszkodzeń komórkowych.
W przypadku niepełnej redukcji NADH może gromadzić się w komórkach. Jeśli elektrony nie mogą prawidłowo przepływać w łańcuchu oddechowym i gromadzą się w kompleksie I, NADH nie jest skutecznie utleniany. Powoduje to zachwianie równowagi w stosunku NADH do NAD. Jeśli poziom NADH wzrośnie bardzo wysoko, sam staje się silnym środkiem redukującym i może na przykład wchodzić w interakcje z cząsteczkami tlenu i tworzyć ROS. Właśnie pokazałam tabelę z mutacjami w różnych kompleksach. Chciałabym jednak podkreślić, że dysfunkcja kompleksu I nie jest spowodowana wyłącznie mutacjami, istnieje również wiele toksyn środowiskowych, które atakują nasz kompleks I w mitochondriach. Na przykład pestycydy, które czasami trafiają na nasze talerze. Na przykład rotenon, który bardzo często występuje w truskawkach. Lub na przykład metale ciężkie, leki takie jak antybiotyki lub środki znieczulające, takie jak propofol, które mogą atakować nasz kompleks I. Opisano, w jaki sposób aktywność kompleksu I zmniejsza się po zastosowaniu środków znieczulających. Również w wyniku naturalnego procesu starzenia się aktywność kompleksu I zmniejsza się.
Wiele ROS może być również wytwarzanych w kompleksie III łańcucha oddechowego. A w przypadku zaburzeń łańcucha oddechowego lub zaburzeń funkcji kompleksu I komórki będą wyglądały tak. Wytwarzają mało energii i dużo wolnych rodników, co prowadzi do stresu oksydacyjnego, stanów zapalnych i deficytu bioenergetycznego, który dotyka w szczególności narządy o wysokim zapotrzebowaniu energetycznym.
Jakie opcje terapeutyczne oferuje medycyna mitochondrialna w przypadku dysfunkcji kompleksu I? Jak wiadomo, medycyna mitochondrialna koncentruje się na przyczynach chorób, aby je wyeliminować, a nie na łagodzeniu objawów. Z punktu widzenia medycyny mitochondrialnej mogę powiedzieć, co możemy zrobić, gdy kompleks I jest zaburzony i nie działa. Najważniejsze jest stosowanie ubichinolu. Ubichinol, a nie ubichinon. Dlaczego? Jest to bardzo ważne, ponieważ w przypadku zaburzeń w kompleksie I Q10 nie może być skutecznie redukowany. Kompleks II może działać prawidłowo tylko wtedy, gdy dostępne są wystarczające ilości ryboflawiny. Dlatego też w celu zapewnienia skutecznej terapii zaleca się stosowanie ubichinolu, a nie ubichinonu. Podam jeszcze jedną wskazówkę, jak wybrać odpowiednie produkty z Q10. Pokażę na przykład wykres. Są to wyniki badania farmakokinetycznego przeprowadzonego na Uniwersytecie w Sewilli. Widzimy tu na przykład poziom Q10 we krwi po przyjęciu 100 mg trzech różnych preparatów Q10. Są to trzy różne preparaty Q10 dostępne na rynku. Niebieski produkt zawiera ubichinol, a pozostałe dwa ubichinon. Wyraźnie widać, że ubichinol jest lepiej wchłaniany niż ubichinon . Przy tej samej dawce poziom we krwi ubichinolu jest prawie dwukrotnie wyższy niż ubichinonu.
Kolejnym aspektem jest płynna forma preparatu. Płynna forma preparatu sprzyja wchłanianiu Q10. Niebieski produkt jest produktem płynnym. Pokażę Państwu zdjęcie pod mikroskopem. Ubichinol znajduje się tutaj w tych maleńkich kroplach o średnicy poniżej 50 nanometrów. Pokażę Państwu test, który wykonujemy w laboratorium. Rozproszenie światła służy do sprawdzenia, czy mamy do czynienia z nanoformulacją lub dyspersją koloidalną. To rozproszenie światła obserwujemy tylko w obecności tych maleńkich cząstek o średnicy poniżej 100 nanometrów. Potrzebujemy również wysokich dawek ryboflawiny. Dzięki wysokim dawkom ryboflawiny możemy ominąć ograniczenia aktywności kompleksu I. W ten sposób można zapewnić pełną aktywność kompleksu II, tak aby elektrony przepływały dalej z kompleksu II do kompleksu III. I choć może to brzmieć nieco nielogicznie, zalecamy dodatkowo przyjmowanie niacynamidu w celu wsparcia kompleksu I. Można zapytać, po co nam niacynamid, skoro kompleks I i tak nie działa. Wiemy, że NAD jest ważny nie tylko dla produkcji energii, ale pełni również kilka innych funkcji ochronnych w organizmie i wspomaga zdrowie. Jednak w tym konkretnym przypadku istnieją doniesienia, które pokazują, że w przypadku dysfunkcji kompleksu I – a dokładniej zmniejszenia powinowactwa enzymu „kompleks I” do jego substratu „NADH” – kompleks I potrzebuje znacznie więcej substratu, aby działać. Jeśli zwiększymy zapasy NADH, może to umożliwić ponowne uruchomienie kompleksu I. Z tego powodu zalecamy niacynamid również w przypadku dysfunkcji kompleksu I.
