Czym są mitochondria

Mitochondria są organellami występującymi w komórkach eukariotycznych, które pełnią kluczową rolę w procesie produkcji energii dla każdej komórki. Są one często nazywane "elektrowniami komórkowymi" ze względu na ich główną funkcję, czyli wytwarzanie energii w postaci cząsteczek ATP.

ATP (adenozynotrifosforan) jest wytwarzany w procesie przekształcania energii pozyskiwanej z substancji odżywczych i jest źródłem energii dla większości reakcji chemicznych zachodzących w komórce. Ponadto mitochondria pełnią również inne ważne funkcje, takie jak regulacja sygnałów programowanej śmierci komórki (tzw. apoptozy), synteza niektórych substancji chemicznych i kontrola stresu oksydacyjnego.

Mitochondria są niezwykle ważnymi organellami, odpowiedzialnymi za produkcję energii niezbędnej dla utrzymania funkcji życiowych całego organizmu. Najważniejszą ich funkcją jest przeprowadzanie procesu zwanego oddychaniem komórkowym, w którym substancje odżywcze (takie jak np. glukoza) są utleniane, a wytwarzana energia jest uwalniana w formie ATP. Dzieje się to za pomocą tzw. łańcucha oddechowego.

Mitochondrialny łańcuch oddechowy (także znany jako łańcuch transportu elektronów) to złożony proces biochemiczny, który zachodzi w wewnętrznej błonie mitochondriów. Przepływ elektronów przez ten łańcuch prowadzi do utworzenia gradientu protonowego pomiędzy macierzą mitochondrialną a przestrzenią międzybłonową. Powstały gradient protonowy jest nazywany potencjałem błonowym, który jest wykorzystywany przez enzym ATP-syntazę (ATP-aza) do syntezy ATP z ADP (adenozynodifosforanu) i reszty fosforanowej. Defekty w łańcuchu oddechowym mogą prowadzić do chorób mitochondrialnych i różnych zaburzeń metabolicznych.

Warto zauważyć, że ilość mitochondriów w danej komórce może się zmieniać w zależności od warunków fizjologicznych i metabolicznych organizmu. Na przykład, komórki mięśniowe mogą zwiększyć liczbę mitochondriów w odpowiedzi na intensywny trening fizyczny, co zwiększa ich zdolność do produkcji energii. Ogólnie rzecz biorąc, komórki, które są aktywne metabolicznie i wymagają dużej ilości energii, będą miały większą liczbę mitochondriów w porównaniu do komórek o niższym zapotrzebowaniu na energię. Komórki o największej liczbie mitochondriów, oprócz komórek mięśniowych, to komórki układu nerwowego, wątroby i serca.

Defekty mitochondrialne lub zaburzenia ich funkcji mogą prowadzić do różnych chorób i schorzeń, które są ogólnie znane jako mitochondriopatie. Funkcjonalność mitochondriów zależy między innymi od czynników genetycznych i epigenetycznych (styl życia, dieta, ćwiczenia, psychika), a także wieku, kondycji fizycznej, stanów zapalnych (zwłaszcza utajonych) stanu układu immunologicznego.

Wstępna ocena krwi pod kątem choroby mitochondrialnej powinna obejmować pełną morfologię krwi, oznaczenie transaminaz, albuminy, stosunku mleczanu do pirogronianu, aminokwasów, a także ilościowe lub jakościowe oznaczenie kwasów organicznych w moczu. U pacjentów z objawami pochodzenia mięśniowego, u których istnieje podejrzenie chorób mitochondrialnych, należy zbadać aktywność fosfokinazy kreatynowej i kwasu moczowego.

Badania markerów mitochondriów 

Bardziej szczegółowe badania obejmują specyficzne markery, takie jak np:

• PGC-1α - główny regulator biogenezy mitochondriów
• Nrf2 - białko o właściwościach antyoksydacyjnych i przeciwzapalnych, które redukują lub hamują wpływ wolnych rodników i degradację mitochondriów. Jest to marker odporności mitochondriów na stres oksydacyjny.
• Rodanaza - marker zdolności mitochondriów do przeprowadzania procesów antyoksydacyjnych i regeneracyjnych.
• Mt/DNA – ocenia ilość mitochondriów znajdujących się w komórkach na podstawie zawartości mitochondrialnego DNA.
• M2PK – marker uszkodzeń mitochondrialnych, może służyć jako wstępne badanie przesiewowe i być podstawą do bardziej szczegółowej diagnostyki.

Zagrożenie dla zdrowia mitochondriów

Prawdziwe zagrożenie dla zdrowia mitochondriów stanowią wolne rodniki i związane z nimi zjawisko stresu komórkowego. Stres nitrozacyjny występuje w przypadku nagromadzenia w organizmie nadmiernej ilości wolnych rodników w postaci tlenku azotu (NO). Tlenek azotu powstaje w komórkach nerwowych (nNOS), w mitochondriach (mNOS), jest także wytwarzany w następstwie infekcji bakteryjnych lub wirusowych (iNOS). Substancja ta jest przyczyną wielu niekorzystnych skutków biologicznych.  W połączeniu ze stresem oksydacyjnym dochodzi do reakcji z wolnymi rodnikami tlenowymi i przekształcenia się tlenku azotu w nadtlenoazotyn - związek toksyczny, główny czynnik uszkadzający mitochondria w kaskadzie stresu nitrozacyjnego. Przewlekły stres nitrozacyjny prowadzi do powstania chorób mitochondrialnych, dysfunkcji immunologicznych (przewlekłe, często utajone stany zapalne organizmu) oraz w wielu przypadkach zespołów przewlekłego bólu.

Do markerów stresu nitrozacyjnego należą kwas nitrofenylooctowy, kwas metylomalonowy oraz cytrulina. Stres oksydacyjny można ocenić za pomocą np. badania peroksydacji lipidów oraz poziomu 8-hydroksy-2'deoksyguanozyny, która równocześnie jest wskaźnikiem uszkodzeń DNA na poziomie komórkowym.

Mitochondriopatie mogą być także skutkiem niedoborów niezbędnych substancji odżywczych, takich jak np. witaminy z grupy B lub koenzym Q-10. Defekty w syntezie koenzymu Q10 (CoQ10) prowadzą do szeregu potencjalnie uleczalnych dysfunkcji mitochondrialnych. Podobnie jest z niedoborami substancji mitotropowych. Istotny jest pomiar ich poziomu we krwi oraz odpowiednia suplementacja i uzupełnienie ewentualnych niedoborów.

mgr Magdalena Depka Prądzyńska

 Biolog medyczny, diagnosta labolatoryjny

Bibliografia:

1. Chinnery PF. Mitochondrial disorders overview. In: Pagon RA, Adam MP, Ardinger HH, et al., editors. University of Washington; Seattle, WA: 1993–2014.
2. Parikh S, Goldstein A, Koenig MK, et al. Practice patterns of mitochondrial disease physicians in North America. Part 1: diagnostic and clinical challenges. Mitochondrion. 2014.
3. Barshop BA. Metabolomic approaches to mitochondrial disease: correlation of urine organic acids. 2004.
4. Matsuoka T, Maeda H, Goto Y, Nonaka I. Muscle coenzyme Q10 in mitochondrial encephalomyopathies. Neuromuscul Disord. 1991.
5. Haas RH. The evidence basis for coenzyme Q therapy in oxidative phosphorylation disease. 2007.
6. Marin SE, Mesterman R, Robinson B, Rodenburg RJ, Smeitink J, Tarnopolsky MA. Leigh syndrome associated with mitochondrial complex I deficiency due to novel mutations in NDUFV1 and NDUFS2. 2013.
7. Thorburn DR, Sugiana C, Salemi R, et al. Biochemical and molecular diagnosis of mitochondrial respiratory chain disorders. Biochim Biophys Acta. 2004.