Energie, teplo a smrt. Mitochondrie jsou mnohem víc než buněčné elektrárny

„Mitochondrie si můžete představit jako takové buněčné elektrárny,“ řekla třídě paní učitelka a tušila, že to bude jediná informace, kterou si o nich studenti zapamatují. Podobný výrok se objevuje ve výkladu skoro každého učitele biologie na středních školách. A ve zkratce je naprosto správný. Mitochondrie jsou ale mnohem víc. Jejich funkce je tak široká, že hrají roli téměř v každé ze současných civilizačních chorob. Ať už jde o rakovinu, cukrovku, nebo infarkt.

S rostoucí koncentrací kyslíku na Zemi se musely budoucí eukaryotické buňky (ty, ze kterých se skládáme) naučit, jak z něj získat energii. A asi před dvěma miliardami let se jim to podařilo. Narazily na proteobakterii a daly ji jedinečnou nabídku: „My zajistíme, že se celý život nebudeš muset o nic starat, ochráníme tě, budeš mít kde bydlet a ty nám na oplátku vyrobíš trochu energie.“ Vzhledem k tomu, že jsou proteobakterie úplně primitivní organismy, souhlasily. V tu chvíli se z buňky a bakterie staly symbionti. Každý z nich měl pro toho druhého užitek výměnou za požadovanou protislužbu. Jak čas plynul, situace se začala měnit. Eukaryotická buňka si nárokovala stále další a další výhody a proteobakterie se jí podvolovala. Přišla o svou samostatnost, odevzdala jádru buňky většinu své DNA a z proteobakterie se stala mitochondrie, nová organela poskytující buňce značnou evoluční výhodu.

Orgán: U živočichů se jedná o tkáně, které vykonávají specifickou funkci. Srdce pumpuje krev do celého těla, plíce mají na starosti výměnu plynů a okysličení krve a tak dále.

Organela: Ekvivalent orgánu na buněčné úrovni. Každá buňka má své organely, které vykonávají specifickou funkci. Jádro řídí její funkce a je v něm uložená DNA, mitochondrie vyrábí energii a v endoplazmatickém retikulu se syntetizují proteiny.

Organoid: Jedná se o v laboratoři vytvořené (a většinou) zmenšené verze orgánů, které v poslední době usnadňují práci výzkumným skupinám po celém světě. Vznikají z kmenových buněk.

Abychom bakteriím/mitochondriím nekřivdili, musíme zmínit, že si část svého „já“ zachovaly. Oproti ostatním organelám disponují dvěma membránami (vnější a vnitřní) a několika geny, o kterých hovoříme jako o mitochondriální DNA. Pokud v ní dojde k chybě, vznikají tzv. mitochondriální onemocnění. Typickým příkladem je syndrom MELAS, jehož příznaky se objevují mezi 2. až 10. rokem života. Nemoc se projevuje hromaděním laktátu způsobujícím únavu, zvracení, svalovou slabost, dušnost nebo migrénu. Všechny mitochondriální choroby se dědí výlučně po mateřské linii. Energie mitochondrií ve spermii je při oplození investována pouze k tomu, aby se spermie dostala k vajíčku. Po spojení jsou nepotřebné mitochondrie otcových spermií organismem matky zničeny.

Stejně jako se v elektrárnách vyrábí energie, abychom si uvařili jídlo nebo se podívali na televizi, tvoří mitochondrie buněčnou energii ve formě ATP (adenosintrifosfát; součástí jsou tři fosfáty). Pro jeho tvorbu můžeme využít všechny tři základní složky potravy: cukry, tuky i bílkoviny. Pro jednoduchost si tvorbu ATP popíšeme na metabolismu cukrů (glukózy) K tomu, jak se dostaneme od jedné molekuly cukru k ATP vede dlouhá, komplikovaná cesta, která začíná daleko od mitochondrie. Předtím, než se v ní může roztočit energetická turbína, musí buňka z výše uvedených substrátů vytvořit univerzální molekulu, acetyl-CoA, který vstoupí do Krebsova cyklu. V něm se protočí sérií reakcí, ze kterých se uvolňují NADH a FADH2, koenzymy, přenášející elektrony přes proteiny elektron-transportního řetězce (ETC), který bude klíčový pro tvorbu ATP.

Glykolýza: biochemická dráha, ve které se z glukózy tvoří pyruvát. Za anaerobních podmínek (bez kyslíku) dochází k tvorbě laktátu. Pokud je kyslíku v buňce dostatek, pyruvát se mění na acetyl-CoA, který vstupuje do Krebsova cyklu.

Krebsův cyklus: Představuje středobod celého metabolismu cukrů, tuků a bílkovin. Základní vstupní molekulou je acetyl-CoA, který se mění na citrát. Ten je postupně několikrát přeměněn, čímž vznikají NADH a FADH2, které se následně uplatní v elektron-transportním řetězci.

Oba koenzymy elektrony posílají do ETC tvořeného čtyřmi (pěti) proteinovými komplexy a umístěného na vnitřní mitochondriální membráně. Od prvního komplexu ke čtvrtému putují elektrony jako horký brambor. Čtvrtý komplex už nemá, komu je hodit, proto je věnuje volnému kyslíku uvnitř mitochondrie a společně spojením se dvěma protony (H+) vznikne molekula vody. No jo, ale kde je ta energie? Některé z komplexů disponují kanály, které pumpují protony z mitochondriální matrix (vnitřek mitochondrie) do mezimembránového prostoru ve chvíli, kdy přijmou elektrony. Protony se v mezimembránovém prostoru akumulují a dosahují mnohem vyšší koncentrace než uvnitř mitochondrie. A zde přichází na scénu poslední protein řetězce, ATP syntáza (komplex V; syntetizovat=tvořit).

Mitochondrie a cukrovka

Mitochondrie vytváří ATP z cukrů, tuků i bílkovin. Pokud je cukru v těle hodně, jako je to v případě rozvíjející se cukrovky 2. typu, dochází ke změnám ve struktuře mitochondriální membrány. Přichází o nenasycené mastné kyseliny, které jsou důležité pro její stavbu. Kvůli tomu tvorba energie v mitochondriích začíná drhnout. Vědci navíc zjistili, že pokud subjekt (v tomto případě myš) přejde na nízkosacharidovou dietu, mitochondriální funkce se beze zbytku obnoví.

ATP syntázu tvoří stator, rotor a na něm se otáčející proteinové podjednotky. Vysoká koncentrace protonů v mezimembránovém prostoru nevydrží dlouho. Díky jejich nízké koncentraci v mitochondriální matrix sem dochází k jejich přesunu z mezimembránového prostoru. Vzniká tak potenciální energie, která roztáčí rotor pohánějící jednotlivé podjednotky. Na nich se nachází ADP a anorganický fosfát. Roztočením podjednotka s fosfátem předá fosfát podjednotce s ADP (adenosindifosfát, součástí jsou dva fosfáty) za vzniku ATP, které se uvolňuje do mitochondrie a následně přes proteinový přenašeč ANT do celé buňky. My se pak můžeme hýbat, smát se, pracovat nebo jen tak ležet. Naše tělo tohle dělá každou minutu, každý den až do smrti.

A tady bychom mohli skončit…

Mitochondrie však nabízí víc. Mnohem víc. Jejich činností pomalu umíráme, některým živočichům vytváří teplo aniž by se museli třást, a pokud dojde k jejich poškození buňka sama sebe zničí.

Teorií vysvětlujících stárnutí existuje několik. Jednou z nich je i stále se zvyšující produkce tzv. reaktivních forem kyslíku (ROS). ROS jsou sami o sobě důležité jako molekuly přenášející signál pro řadu procesů v buňce. Ale nesmí jich být moc.

V mitochondriích vznikají ROS neustále v poměrně velkých dávkách. Ne všechny elektrony, které NADH a FADH2 nabídnou komplexům ETC jsou využity pro tvorbu ATP. Některé z nich utečou, podobně jako utíkají kapky vody ze špatně utěsněného vodovodního potrubí, a potřebují se uvnitř mitochondrie někam navázat. Nejsnadnějším způsobem je najít osamocený kyslík a spojit se s ním. Tak vzniká molekula superoxidu, který může poškozovat DNA a ničit membrány v buňce. Mitochondrie (ostatně i celé buňka) se tomu brání pomocí enzymů, v tomto případě superoxid dismutázy (SOD) a glutathion peroxidázy (GPX), které ho ve dvou krocích mění na vodu a molekulu kyslíku. Počkat, to ale vypadá, že je všechno v rovnováze, ne?

Není. V mitochondriích se za některých okolností může tvořit mnohem víc ROS, než jsou enzymy schopné přeměnit. Typickým akutním případem je infarkt myokardu, kdy dochází velice rychle k tak zásadnímu přetížení ROS, že mitochondrie praskají a ničí celou buňku. Ukazuje se, že pokud pacient dbá na svůj antioxidační systém, poškození po infarktu myokardu je menší. Negativní vliv ROS byl zaznamenán i u covidu-19, kdy se postižené buňky uchylují k metabolismu glukózy jen na úrovni glykolýzy (nepotřebují kyslík z ETC), čímž se zvyšuje koncentrace ROS v buňcem, a ta umírá.

Smrt buňky, apoptóza, jde s mitochondriemi ruku v ruce. Pokud jsou poškozeny, přetíženy nebo nejsou schopny vykonávat svou funkci, vysílají signály, které buňku v rámci zachování celého organismu zničí. Mitochondriální apoptóza je jednou z nejčastějších indukovaných smrtí buňky. Není proto překvapením, že svou úlohu představuje v celé řadě nádorových onemocnění. Nádorové buňky ji umí zastavit a pokračovat v množení poškozených buněk, které by měly být zničeny. Velká část výzkumu nádorové biologie se proto zaměřuje právě na zachování apoptózy vyvolané mitochondriemi.

Zapomenutou, ale pro řadu savců životně důležitou funkcí mitochondrií je produkce tepla. Lidé si teplo zajistí oblečením nebo krytým vytápěným příbytkem. Pokud je jim zima a nemají se jak jinak zahřát, roztřesou se, čímž začnou produkovat teplo. To je poměrně energeticky náročný a krátkodobý stav. Třeba potkan by se v takovém případě utřásl k smrti. A vzhledem k tomu, že se neobleče do péřovky a nenastaví si v noře termostat na příjemných 25 stupňů, musí se zařídit jinak. V jeho těle se nachází tzv. hnědá tuková tkáň obsahující velké množství mitochondrií, které disponují zvláštním proteinem. Nazývá se rozpřahující protein, UCP, a dokáže oddělit první čtyři komplexy ETC od ATP syntázy. Jeho činností mitochondrie přestanou produkovat ATP a místo něj, jako vedlejší produkt, vzniká teplo. Stejným způsobem jsou u člověka schopni vytvářet teplo i novorozenci.

Funkcí mitochondrií je celá řada a je patrné že jsou pro buňku naprosto klíčovou organelou. Ale jak jim v jejich práci můžeme pomoct? Moc nepít a nekouřit, jíst střídmě a nestresovat se. Nepřidělávat jim starosti produkcí dalších ROS a občas si dopřát něco, co náš antioxidační systém posílí. A cvičit! Jsou naprosto zásadní pro celý náš metabolismus, takže bychom se k nim měli chovat s respektem. Pokud to dodržíme, odmění nás tvrdou prací, kterou nám před dvěma miliardami let slíbily.

Baví vás práce Pod čepicí? Tady najdete veškerý náš obsah: Pod čepicí podcast | Twitter, Instagram, Facebook, TikTok | Linktree

Autor: Petr Kašík