Материалы SapiensMed не заменяют консультацию врача
Здравствуйте, друзья! В нашем традиционном лонгриде поговорим о митохондриях и клеточном дыхании — процессе, в котором клетки превращают пищу и кислород в энергию для любой работы организма. Зачем нам вообще дышать, если кислород не попадает в мышцы напрямую? Почему митохондрии передаются только от матери? И правда ли, что мышцы на следующий день после тренировки болят из-за молочной кислоты?
Мы разберём, как устроены митохондрии, как глюкоза и жиры шаг за шагом превращаются в молекулы АТФ, зачем в этом процессе нужен кислород и что делает «молекулярная турбина» АТФ-синтаза. Расскажем, как нервы, гормоны и сама клетка регулируют выработку энергии.
Отдельно обсудим, как работа митохондрий меняется при нагрузке, голодании, в детстве и в старости, какие болезни связаны с их нарушением, что реально помогает поддерживать энергетику клеток и при каких признаках нужна срочная помощь. В конце статьи вас ждёт краткое резюме по каждому разделу статьи.
Часть 1. Что такое клеточное дыхание и зачем оно нужно
1.1. Энергетическая валюта клетки
Любая работа в организме — сокращение мышцы, передача нервного импульса, синтез белка, работа почечных насосов — требует энергии. Клетки получают её в одной универсальной форме — в виде молекул АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). АТФ можно сравнить с заряженной батарейкой: отщепляя от неё один фосфат, клетка получает порцию энергии, а оставшаяся молекула АДФ (аденозиндифосфорная кислота) снова «заряжается»14.
Запасы АТФ в клетке очень малы — их хватает на несколько секунд интенсивной работы. Поэтому АТФ постоянно перезаряжается. За сутки человек в покое образует и расходует количество АТФ, сопоставимое с массой собственного тела, а при тяжёлой работе ещё больше43.
Клеточное дыхание — это и есть процесс перезарядки: клетка постепенно окисляет глюкозу, жирные кислоты и аминокислоты с участием кислорода, а высвобождающуюся энергию запасает в АТФ. Конечные продукты — углекислый газ, который мы выдыхаем, и вода12.
1.2. Митохондрии — электростанции клетки
Основная часть клеточного дыхания происходит в митохондриях — небольших органеллах размером около 1 микрометра. Их число зависит от потребности ткани в энергии: в клетках печени их сотни и тысячи, в клетках сердечной мышцы митохондрии занимают около трети объёма, а в зрелых эритроцитах их нет совсем13. Об устройстве клетки в целом рассказывает статья Как работает клетка: мембрана, обмен веществами с окружающей средой.
У митохондрии две мембраны. Наружная гладкая, а внутренняя образует многочисленные складки — кристы, на которых расположены дыхательные ферменты. Внутри находится матрикс — среда, в которой идут реакции цикла Кребса и расщепления жиров14.
Митохондрии — потомки бактерий, которые около двух миллиардов лет назад поселились внутри предков наших клеток. Поэтому у них есть собственная кольцевая ДНК, всего 37 генов, и собственные рибосомы. Большинство белков митохондрий всё же закодировано в ядре клетки814.
Митохондрии делают гораздо больше, чем производят энергию. Они участвуют в синтезе гема (части гемоглобина), стероидных гормонов, в обмене кальция, служат сигнальным центром клетки и принимают решение о запуске апоптоза — программы гибели клетки, описанной в статье Апоптоз: запрограммированная гибель клеток98.
Часть 2. Как работает клеточное дыхание: шаг за шагом
2.1. Шаг первый: гликолиз
Расщепление глюкозы начинается ещё в цитоплазме, вне митохондрий. Этот этап называют гликолизом. Одна молекула глюкозы распадается на две молекулы пирувата (пировиноградной кислоты), и клетка получает всего 2 молекулы АТФ. Кислород на этом этапе не нужен14.
Если кислорода достаточно, пируват уходит в митохондрии. Если не хватает, например при спринте, пируват превращается в лактат. Это позволяет гликолизу продолжаться и быстро давать энергию, но в небольшом количестве. Лактат затем используют сердце, печень и другие мышцы как топливо121.
2.2. Шаг второй: цикл Кребса
В митохондриях пируват превращается в ацетил-КоА (активированную форму уксусной кислоты). Сюда же сходятся пути расщепления жиров и многих аминокислот. Поэтому ацетил-КоА — общий перекрёсток обмена веществ43.
Ацетил-КоА поступает в цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса, — замкнутую цепочку из восьми реакций. В ней углерод окончательно превращается в углекислый газ. Энергии в виде АТФ здесь образуется немного, но главное — заряжаются переносчики электронов НАДН и ФАДН₂. Для их работы нужны витамины группы B: никотиновая кислота, рибофлавин, тиамин, пантотеновая кислота41.
2.3. Шаг третий: дыхательная цепь
Переносчики НАДН и ФАДН₂ отдают электроны дыхательной цепи — четырём крупным белковым комплексам во внутренней мембране митохондрий. Электроны переходят от комплекса к комплексу, словно вода, падающая по ступеням каскада, и на каждой ступени высвобождается энергия45.
Эту энергию комплексы используют, чтобы перекачивать протоны (ядра водорода) из матрикса в пространство между мембранами. Так на внутренней мембране создаётся разница концентраций протонов и электрический заряд — своеобразная плотина, за которой скапливается «вода»53.
В конце цепи электроны принимает кислород, соединяясь с протонами и образуя воду. Именно ради этого мы дышим: без кислорода электроны некуда отдать, каскад останавливается, и выработка энергии в митохондриях прекращается за считанные секунды14.
2.4. Шаг четвёртый: молекулярная турбина
Протоны возвращаются в матрикс только через один путь — фермент АТФ-синтазу. Это настоящий молекулярный мотор: поток протонов вращает его часть, как вода вращает турбину гидроэлектростанции, и при каждом обороте из АДФ и фосфата образуются молекулы АТФ45.
Весь процесс получил название окислительного фосфорилирования. Механизм, связывающий перенос протонов и синтез АТФ, описал британский биохимик Питер Митчелл, получивший за это Нобелевскую премию в 1978 году5. Из одной молекулы глюкозы клетка в итоге получает около 30–32 молекул АТФ — примерно в 15 раз больше, чем при одном гликолизе4.
Миф
Кислород, который мы вдыхаем, нужен, чтобы «сжигать» пищу и выдыхать его в виде углекислого газа.
Факт
Углерод в выдыхаемом углекислом газе приходит из пищи и отщепляется в цикле Кребса. Кислород же служит конечным приёмником электронов в дыхательной цепи и превращается в воду. Без него останавливается выработка основной части энергии.
2.5. Жиры и кетоновые тела
Жирные кислоты расщепляются в митохондриях до ацетил-КоА в процессе бета-окисления. Жир — самое ёмкое топливо: из одного грамма жира образуется примерно вдвое больше энергии, чем из грамма углеводов или белков. Сердце в покое получает большую часть энергии именно из жиров13.
При длительном голодании печень превращает избыток ацетил-КоА в кетоновые тела. Их способны использовать мозг, сердце и мышцы, когда глюкозы мало. Это важный механизм выживания, но при тяжёлом дефиците инсулина кетоновых тел образуется слишком много, и развивается опасное закисление крови13.
Часть 3. Кто и как регулирует выработку энергии
3.1. Саморегуляция по спросу
Главный регулятор — сама потребность клетки. Когда мышца работает, АТФ расходуется, растёт количество АДФ, и дыхательная цепь ускоряется. Когда работа прекращается, АДФ становится мало, и дыхание замедляется. Так клетка производит ровно столько энергии, сколько тратит13.
Дополнительным датчиком служит фермент АМФ-активируемая протеинкиназа. Она включается при падении запасов энергии, усиливает поглощение глюкозы и окисление жиров и выключает процессы, требующие много энергии. Это внутренний «энергетический датчик» клетки910.
Ионы кальция, которые выделяются при сокращении мышцы и возбуждении нейрона, входят в митохондрии и активируют ферменты цикла Кребса. Сигнал к работе одновременно оказывается сигналом к выработке энергии3.
3.2. Гормоны
Гормоны щитовидной железы повышают число митохондрий и скорость дыхания в большинстве тканей, поэтому от них зависит основной обмен. При их избытке человек худеет, ему жарко, сердце бьётся часто, при недостатке — зябнет, полнеет и быстро устаёт151. Об органе рассказывает статья «Всё, что вы хотели знать о щитовидной железе».
Инсулин после еды направляет глюкозу в клетки и запасы, а глюкагон и адреналин при голоде и стрессе мобилизуют глюкозу и жирные кислоты для митохондрий. Кортизол усиливает образование глюкозы в печени12.
3.3. Нервная система и кислород
Симпатическая нервная система через норадреналин включает бурый жир — особую ткань, митохондрии которой содержат белок-разобщитель UCP1. Он позволяет протонам возвращаться в матрикс, минуя АТФ-синтазу, и энергия выделяется в виде тепла. Так новорождённые согреваются без дрожи, а у взрослых бурый жир активируется на холоде111.
При нехватке кислорода клетка включает белки-факторы, индуцируемые гипоксией. Они усиливают гликолиз, рост сосудов и выработку эритропоэтина — гормона, стимулирующего образование эритроцитов. Так организм адаптируется к высокогорью и анемии91.
Часть 4. Как работа митохондрий меняется в течение жизни
4.1. Нагрузка и тренировки
В мышцах есть три источника энергии с разной скоростью. Первые секунды работы обеспечивает креатинфосфат, затем подключается гликолиз, а при работе дольше пары минут основную часть энергии дают митохондрии110. Об устройстве мышц — в статье «Всё, что вы хотели знать о мышцах».
Регулярные аэробные тренировки увеличивают число и размер митохондрий в мышцах, количество капилляров и ферментов окисления жиров. Это одна из главных причин, почему тренированный человек меньше устаёт. Ключевой сигнальный белок этой перестройки называют коактиватором PGC-1α10.
Таблица 1. Как клетки получают энергию в разных ситуациях
| Ситуация | Главный источник энергии | Особенности |
|---|---|---|
| Покой | Окисление жиров и глюкозы в митохондриях | Сердце использует преимущественно жирные кислоты |
| Спринт до 10 секунд | Креатинфосфат и запасы АТФ | Работа без кислорода, быстро истощается |
| Интенсивная нагрузка до 2 минут | Гликолиз | Образуется много лактата |
| Длительная умеренная нагрузка | Митохондрии, жиры и глюкоза | Тренировки увеличивают число митохондрий |
| Голодание более суток | Жирные кислоты и кетоновые тела | Мозг частично переходит на кетоновые тела |
| Новорождённый | Бурый жир для выработки тепла | Тепло образуется без дрожи |
| Пожилой возраст | Те же пути | Функция митохондрий снижается, особенно без нагрузки |
4.2. Возраст и пол
С возрастом в митохондриях накапливаются повреждения ДНК, снижается активность дыхательной цепи и хуже работает обновление органелл. Это считается одним из механизмов старения13. Но значительная часть возрастного снижения связана с малоподвижностью: у пожилых людей, которые регулярно тренируются, функция митохондрий мышц заметно выше, чем у их неактивных сверстников1013.
Существенных различий в устройстве митохондрий между мужчинами и женщинами нет, но есть особенность наследования. Митохондрии с их ДНК мы получаем от матери: митохондрии сперматозоида обычно уничтожаются в яйцеклетке после оплодотворения. Поэтому митохондриальные болезни передаются по материнской линии146.
4.3. Беременность, питание и сон
Во время беременности энергетические потребности растут, а плацента — орган с очень активными митохондриями — сама вырабатывает гормоны. Растущему плоду требуется непрерывный приток кислорода и глюкозы1.
Для работы митохондрий необходимы витамины группы B, железо (входит в состав дыхательных ферментов), медь, магний и йод для синтеза гормонов щитовидной железы. Их дефицит проявляется слабостью и утомляемостью41. О витаминах группы B подробно — в статье «Витамины группы B при неврологических заболеваниях: доказанная польза и мифы».
Во время сна снижается расход энергии, а мозг восстанавливает запасы и удаляет продукты обмена. Хронический недосып нарушает чувствительность к инсулину и обмен глюкозы, хотя прямые эффекты сна на митохондрии человека изучены пока мало113.
Миф
Мышцы на следующий день после тренировки болят из-за накопившейся молочной кислоты.
Факт
Лактат выводится из мышц и перерабатывается за час-два после нагрузки. Отсроченная боль в мышцах связана с микроповреждениями мышечных волокон и воспалением, особенно после непривычных упражнений и работы на растяжение. Лактат же — не отход, а ценное топливо для сердца, печени и самих мышц.
Часть 5. Когда работа митохондрий нарушается
5.1. Острая нехватка энергии
Самая быстрая угроза — прекращение доставки кислорода: остановка сердца, удушье, тромб в сосуде. Без кислорода дыхательная цепь останавливается, и клетки переходят на бескислородный путь, который не может обеспечить их потребности. Как это приводит к повреждению и гибели клеток, рассказывает статья Повреждение клетки: как и почему гибнут клетки1.
Некоторые яды блокируют саму дыхательную цепь. Цианиды и сероводород выключают четвёртый комплекс, угарный газ связывается и с гемоглобином, и с дыхательными ферментами. Клетки задыхаются, даже если кислорода в крови достаточно41.
5.2. Митохондриальные болезни
Митохондриальные болезни — группа наследственных заболеваний, вызванных мутациями в ДНК митохондрий или в генах ядра, кодирующих их белки. Они встречаются примерно у одного из 4–5 тысяч человек и поражают прежде всего самые энергоёмкие органы: мозг, мышцы, сердце, глаза, внутреннее ухо76.
Проявления разнообразны и зависят от того, какие ткани страдают сильнее68:
- Мышцы — слабость, быстрая утомляемость, непереносимость нагрузки, опущение век.
- Нервная система — судороги, инсультоподобные эпизоды, задержка развития у детей.
- Органы чувств — потеря зрения, как при наследственной оптической нейропатии Лебера, и тугоухость.
- Сердце — кардиомиопатия и нарушения проводимости.
- Обмен веществ — сахарный диабет, повышение лактата в крови.
Среди известных форм — синдром MELAS и синдром Ли. Диагностику ведут генетики и неврологи, а лечение пока в основном поддерживающее6.
5.3. Распространённые болезни
Нарушения работы митохондрий участвуют в развитии многих частых заболеваний: сахарного диабета 2 типа и инсулинорезистентности, сердечной недостаточности, болезни Паркинсона и других нейродегенеративных болезней, некоторых видов рака. В этих случаях митохондрии обычно не первопричина, а одно из звеньев цепи89.
Митохондрии — главный источник активных форм кислорода, побочных продуктов работы дыхательной цепи. В небольшом количестве они служат сигналами, а в избытке повреждают клетку. Этой теме посвящена отдельная статья плана об окислительном стрессе813.
Хроническая усталость чаще всего связана не с «слабыми митохондриями», а с анемией, болезнями щитовидной железы, нарушениями сна, депрессией, диабетом или побочным действием лекарств. Эти причины выявляются простыми анализами и хорошо лечатся, поэтому при стойкой слабости начинать стоит с визита к терапевту.
Часть 6. Как поддержать энергетику клеток
6.1. Что действительно работает
Самый мощный и доказанный способ улучшить работу митохондрий — регулярная физическая активность. Аэробные нагрузки и интервальные тренировки увеличивают их количество и эффективность в мышцах в любом возрасте. Силовые тренировки сохраняют мышечную массу, а значит, и запас митохондрий1013.
Важна и полноценная доставка кислорода: отказ от курения уменьшает содержание угарного газа в крови, лечение анемии восстанавливает переносчик кислорода — гемоглобин. Сбалансированное питание обеспечивает клетки витаминами и микроэлементами, необходимыми для дыхательных ферментов14.
Миф
Добавки с коэнзимом Q10, карнитином и другими «митохондриальными» веществами повышают энергию здорового человека.
Факт
Убедительных доказательств пользы таких добавок у здоровых людей нет. Коэнзим Q10 и другие кофакторы назначают при отдельных редких митохондриальных болезнях и дефицитах, и решение принимает врач. Здоровым людям лучше вложиться в движение, сон и питание.
6.2. Пошаговый план для здоровой энергетики клеток
01
Двигайтесь не менее 150 минут в неделю в умеренном темпе или 75 минут в интенсивном.
02
Добавьте силовые упражнения 2 раза в неделю.
03
Откажитесь от курения и не находитесь в помещениях с табачным дымом.
04
Питайтесь разнообразно: овощи, цельные злаки, бобовые, рыба, мясо или их полноценная замена.
05
Ограничьте алкоголь, он нарушает обмен веществ в печени.
06
Спите 7–9 часов и соблюдайте режим.
07
Проверяйте уровень гемоглобина, ферритина, глюкозы и гормонов щитовидной железы по назначению врача.
08
Установите дома датчик угарного газа, если пользуетесь газовым оборудованием или печью.
Когда срочно нужно к врачу
Острое нарушение снабжения клеток кислородом и энергией опасно для жизни. Вызывайте скорую помощь при следующих признаках.
Краткое резюме
Клеточное дыхание — процесс, в котором клетки превращают глюкозу, жиры и аминокислоты в энергию с участием кислорода. Энергия запасается в молекулах АТФ, которые постоянно перезаряжаются: за сутки их образуется количество, сопоставимое с массой тела.
Основная часть дыхания идёт в митохондриях — органеллах с двумя мембранами и собственной ДНК, потомках древних бактерий. Сначала в цитоплазме идёт гликолиз, дающий 2 молекулы АТФ. Затем в митохондриях цикл Кребса заряжает переносчики электронов, а дыхательная цепь перекачивает протоны. Кислород принимает электроны и превращается в воду, а АТФ-синтаза, как турбина, образует около 30–32 молекул АТФ на молекулу глюкозы.
Работа митохондрий регулируется по спросу: при расходе АТФ дыхание ускоряется. Гормоны щитовидной железы, инсулин, глюкагон и адреналин, а также симпатическая нервная система через бурый жир управляют обменом энергии.
Тренировки увеличивают число митохондрий в мышцах в любом возрасте, а с возрастом и при малоподвижности их функция снижается. Митохондрии передаются от матери. Для их работы нужны витамины группы B, железо, медь и йод, а потребность в энергии растёт при беременности.
Нарушения возникают при нехватке кислорода, отравлении цианидами и угарным газом, наследственных митохондриальных болезнях. Они участвуют и в развитии диабета, сердечной недостаточности, нейродегенерации.
Лучшие способы поддержать энергетику клеток — движение, отказ от курения, полноценное питание, сон и лечение анемии. Пользы «митохондриальных» добавок для здоровых людей не доказано. При стойкой усталости стоит начать с визита к терапевту: чаще всего её причина — анемия, болезни щитовидной железы, недосып или депрессия.
Источники
- Hall J. E., Hall M. E. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology. 14th edition. Elsevier. США, 2020.
- Ткаченко Б. И. (ред.) Нормальная физиология человека: учебник. Медицина. Россия, 2005.
- Boron W. F., Boulpaep E. L. Medical Physiology. 3rd edition. Elsevier. США, 2017.
- Nelson D. L., Cox M. M. Lehninger Principles of Biochemistry. 8th edition. W. H. Freeman. США, 2021.
- Скулачёв В. П., Богачёв А. В., Каспаринский Ф. О. Мембранная биоэнергетика: учебное пособие. Издательство Московского университета. Россия, 2010.
- Gorman G. S., Chinnery P. F., DiMauro S. et al. Mitochondrial diseases. Nature Reviews Disease Primers. Великобритания, 2016.
- Gorman G. S., Schaefer A. M., Ng Y. et al. Prevalence of nuclear and mitochondrial DNA mutations related to adult mitochondrial disease. Annals of Neurology. США, 2015.
- Nunnari J., Suomalainen A. Mitochondria: in sickness and in health. Cell. США, 2012.
- Spinelli J. B., Haigis M. C. The multifaceted contributions of mitochondria to cellular metabolism. Nature Cell Biology. Великобритания, 2018.
- Hood D. A., Memme J. M., Oliveira A. N., Triolo M. Maintenance of skeletal muscle mitochondria in health, exercise, and aging. Annual Review of Physiology. США, 2019.
- Cypess A. M. Reassessing human adipose tissue. New England Journal of Medicine. США, 2022.
- Brooks G. A. The science and translation of lactate shuttle theory. Cell Metabolism. США, 2018.
- Sun N., Youle R. J., Finkel T. The mitochondrial basis of aging. Molecular Cell. США, 2016.
- Wallace D. C. Mitochondrial DNA variation in human radiation and disease. Cell. США, 2015.
- Mullur R., Liu Y. Y., Brent G. A. Thyroid hormone regulation of metabolism. Physiological Reviews. США, 2014.
Материал носит информационно-просветительский характер и не заменяет очной консультации врача. Диагноз и лечение определяет только врач.
Читайте также
- Некроз и апоптоз: два пути гибели клетки
- Мембранный потенциал и возбудимость: откуда в клетках электричество
- Деление клеток и обновление тканей
- Кома
Автор:
