Мітохондрії

Якщо не цікаво, цей розділ можна пропустити без шкоди для розуміння решти інформації.

Життя на нашій планеті почалося десь чотири мільярди років тому. І десь половину цього часу ніяких мітохондрій не було. Всі форми життя були представлені лише бактеріями і археями (які дуже схожі на бактерії, хоча й мають важливі відмінності, які стали помітні доволі недавно, а до того їх вважали різновидом бактерій). І ще були віруси, про які ще не має консенсусу, чи вони є формою життя, чи є неживими біологічними нано-машинами. 

У бактерій і архей клітини доволі прості. Є зовнішня оболонка (мембрана), наповнена рідиною, у якій розчинено все, що потрібно їм для життя, включаючи їх генетичний код. У них немає відокремленого ядра і окремих органоїдів із власними мембранами, що відокремлюють їх від решти об'єму бактерії чи археї. Такі прості організми звуться прокаріоти. Вони настільки прості, що не можуть утворювати багатоклітинні організми, хоча можуть утворювати колонії з певним "соціальним життям" у них, хоч і доволі простим.

Бактерії, археї і віруси є й зараз. Але десь 2,5 мільярдів років тому (а дехто вважає, що й пізніше, 2 мільярди, чи навіть 1,5 мільярдів років тому) відбулася революція, яка відкрила нові шляхи розвитку життя, і привела, у тому числі, до появи багатоклітинних організмів – рослин і тварин, а згодом і нас, людей.

Революція полягала у тому, що якісь маленькі бактерії оселилися всередині більших бактерій чи архей. Як і чому це сталося, невідомо. Може, більші бактерії проковтнули менші, та не змогли їх перетравити. Може, менші бактерії вдерлися до більших з метою пограбування чи паразитування. А може, вони добровільно і без примусу вирішили жити разом і співпрацювати для виживання.

Після такого об'єднання (чи вторгнення, чи поглинання), менші бактерії переклали всі клопоти по знаходженню їжі на більші бактерії. Не маючи потреби шукати їжу, вони спростилися. Але вони розвинули здібність, якої бракувало більшим бактеріям – стали дуже ефективними у заряджанні енергією молекул АТФ, як для себе, так і для більших бактерій. У результаті вийшов такий собі симбіоз, кооперація між різними живими істотами. Коли ми знайшли ці маленькі спрощені бактерії всередині клітин тварин і рослин, ми назвали їх мітохондріями. Такі клітини і далі ускладнювалися, і в них з'явилося уособлене ядро і ще різні органели. Ми називаємо всі істоти з такими клітинами, чи то вони складаються лише з однієї клітини, чи із сотень мільярдів чи трильйонів таких клітин, евкаріотами.

Авжеж, така революція не могла статися і не мала сенсу у перші півтора-два мільярди років існування життя на Землі. Спочатку в атмосфері Землі практично не було вільного кисню, а ми ж знаємо, що мітохондрії потребують кисню для отримання енергії із пального і заряджання нею молекул АТФ. Спочатку бактерії і археї покладалися на хімічні реакції з наявними неорганічними сполуками як на джерело енергії. Пізніше, коли вони напрацювали чималу біомасу, частина з них переключилася на вироблення енергії шляхом ферментації. Згодом знайшлися й такі, які винайшли спосіб використовувати енергію Сонця для своїх біологічних процесів – це були перші ціанобактерії (ні, в них не було ціаніду, просто їх колір блакитний із зеленуватим відтінком – ціановий колір). За допомогою сонячної енергії вони почали виробляти фруктозу і глюкозу із вуглекислого газу, якого було дуже багато в атмосфері того часу. Це був перший фотосинтез. А його побічним продуктом був вільний кисень. Поступово вільного кисню в атмосфері стало стільки, що значна кількість бактерій отруїлася ним (бо не були пристосовані). А ті, які вижили, отримали можливість використовувати кисень для прискорення своїх життєвих хімічних реакцій. А деякі бактерії ще й досі не можуть жити і розмножуватися у присутності кисню (анаеробні бактерії). Згодом цей кисень, який ледь не вбив життя на Землі, став передумовою біологічної революції, описаної вище, яка призвела до появи мітохондрій, складних клітин, багатоклітинних організмів і, згодом, нас.

Деякі ціанобактерії теж зробили такий трюк – оселилися в одноклітинних організмах, які вже мали мітохондрії, і стали спеціалізуватися на перетворенні сонячної енергії в хімічну енергію у вигляді пального для мітохондрій. Теж невідомо, чи це був добровільний союз, чи примусове поглинання, чи вторгнення. Але результатом став початок розвитку водоростей і всіх рослин.

Живі істоти, які застосовують статеве розмноження для продовження свого роду (а це далеко не всі живі істоти), передають свій генетичний код дітям – половину від матері, і половину від батька. Це забезпечує генетичну різноманітність, що сприяє виживанню виду. Але від батька передається лише генетичний код ядра клітини – сперматозоїди тварин чи пилок рослин не мають мітохондрій. А яйцеклітина має мітохондрії лише матері. Отже, мітохондрії клітин дітей містять генетичний код, отриманий тільки від мітохондрій матері. Цей генетичний код не є абсолютно сталим. З ним відбуваються мутації, як і з генетичним кодом ядер клітин. Тому у різних видів істот генетичний код мітохондрій різниться. І в межах одного виду у окремих індивідів він різниться. І через багато поколінь в одній родинній лінії він теж відрізняється. Але у ньому залишаються ознаки тих самих перших мітохондрій, які ще були окремими живими істотами.

Хоча мітохондрії дуже спростилися, і вже не можуть жити окремо від тих клітин, у яких вони колись оселилися. всередині цих клітин вони мають чимало автономії. Так, вони чітко виконують взяте на себе (або покладене на них) зобов'язання заряджати енергією молекули АТФ, і вони роблять це, бо без цього клітина загине, а разом з нею загинуть і вони. Але поза цим зобов'язанням вони відносно вільні. Вони розмножуються діленням (як бактерії), вони об'єднуються, вони живуть і вони вмирають. Навіть у заряджанні енергією АТФ у них є певна свобода – можуть заряджати, а можуть і не заряджати (але не до такої межі, щоб клітина померла). І все це незалежно  від клітини, у якій вони живуть.

Проте, не зовсім незалежно. Вони б може й хотіли частіше розмножуватися (проте, не вище певної кількості на клітину, яка залежить від виду клітини), але умови життя клітини можуть бути несприятливими, і тоді й мітохондріям доводиться кепсько – їх популяція у клітині скорочується, а навантаження з продукування енергії на кожну з них зростає. Це може продовжуватися аж доки решта мітохондрій вже не зможе вправлятися із продукуванням достатньої енергії, і тоді клітина вмре. Або ж клітина зламається і почне отримувати енергію виключно через ферментацію, ставши ворогом організму, у якому живе.

Можна уявити собі мітохондрію як маленьку електростанцію, яка спалює пальне, щоб крутити генератор і виробляти електроенергію. 

Авжеж, у мітохондрій немає топки, і "спалювання" відбувається спокійніше, без полум'я. Але при цьому пальне окислюється киснем із виділенням енергії, яка використовується для заряджання молекул АТФ.

Пальним для мітохондрій може бути глюкоза, жирні кислоти і кетонові тіла (які виробляє печінка із жирних кислот). Ці кетонові тіла є найкращим пальнім, але вони виробляються тільки за умови достатньо низького рівня інсуліну. Жирні кислоти теж непогані, але вони недоступні клітинам мозку, тому для клітин мозку пальним є лише глюкоза і кетонові тіла. 

Глюкоза – гарне пальне, але найгірше із трьох доступних видів пального. Коли через високий рівень інсуліну у якості пального використовується майже виключно глюкоза, мітохондрії через деякий час пошкоджуються.

Коли ми споживаємо фруктозу, частина її доходить до мітохондрій. Вони не можуть використовувати її як пальне, але вона порушує нормальну роботу мітохондрій.

Мітохондрії почуваються краще, розмножуються частіше і живуть довше, коли спалюють більше кетонових тіл і жирних кислот, ніж глюкози. Інколи виникає питання – чи можуть мітохондрії працювати виключно на кетонових тілах? Хтось вважає, що так, хтось вважає, що взагалі без глюкози мітохондрії не зможуть працювати. Але це питання не має практичного сенсу. Навіть якщо ми не споживаємо вуглеводів зовсім, а споживаємо лише жири і білки, ми все одно отримуємо певну кількість глюкози – із жирів і деяких амінокислот. Навіть коли ми деякий час (тиждень, або два) взагалі нічого не їмо, а тільки п'ємо воду, ми все одно отримуємо глюкозу із наших власних запасів жиру. І певна кількість глюкози нам конче необхідна для червоних кров'яних клітин (еритроцитів), які не мають мітохондрій, і для заряджання молекул АТФ шляхом ферментації при нестачі кислороду.

При "спалюванні" пального у мітохондріях виробляються "продукти згоряння" – вуглекислий газ і вода, і може ще дещо, у залежності від пального. Але коефіцієнт корисної дії не сягає 100%. Частина енергії від спалювання виділяється у формі тепла. Проте, це тепло не є просто втратою енергії, бо нам, теплокровним істотам, потрібно тепло для підтримання температури тіла. Воно не заважає і холоднокровним істотам, бо дозволяє прискорювати біохімічні процеси.

Уявіть собі електростанцію, у якій генератор від'єднаний від турбіни. Пальне спалюється, хоч і менш інтенсивно.  Але електроенергія не виробляється. Виробляється лише тепло. Це і є холостий хід.

Мітохондрії теж можуть працювати у такому режимі. Вони можуть від'єднатися від заряджання енергією молекул АТФ, продовжуючи спалювання пального. При цьому вони працюють з меншим навантаженням і виробляють тільки тепло. Від'єднання мітохондрій – складний біохімічний процес, який немає нічого спільного із наведеним порівнянням з електростанцією, але результат його такий самий – холостий хід.

Але мітохондрії можуть дозволити собі такий полегшений режим роботи тільки коли їх достатньо багато у клітині. Тоді мітохондрії можуть заряджати молекули АТФ енергією по черзі, і трохи відпочивати. До того ж, за потреби різко збільшити продукування молекул АТФ, частина мітохондрій, які відпочивали, можуть знов приєднати "топку до генератора".  

Коли ж мітохондрій мало, вони вимушені працювати безперервно. Це веде до їх більш швидкого зношення і подальшого скорочення їх кількості. А тим, які залишаються, доводиться працювати ще напруженіше. І тут вже про різке збільшення вироблення енергії у разі потреби не може бути й мови, бо мітохондрії вже й так працюють на повну.

Отже, від'єднання мітохондрій (холостий хід) – це ознака здорового метаболізму і наявності резервів.

Стверджують, що, за деякими дослідженнями, люди, які живуть найдовше і зберігають здоровий глузд до останнього, мають особливо багато мітохондрій в їх клітинах, і у будь-який момент значна частина тих мітохондрій працює на холостому ході.

Певні речовини можуть сприяти від'єднанню мітохондрій. Із тих, що ми споживаємо з їжею, це поліфеноли. Вони наявні у рослинній їжі, особливо у зелені. Рослини виробляють їх для захисту своїх мітохондрій і хлоропластів від ушкодження сонячним випромінюванням (особливо ультрафіолетом).

Також вважається, що значна кількість кетонових тіл у якості пального дозволяє мітохондріям перепочивати і розмножуватися, а коли їх стає більше, вони можуть частіше переходити у режим холостого ходу, при цьому збільшуючи наявний резерв потужності із заряджання АТФ. 

Бурий жир – це жирова тканина, у клітинах якої дуже багато мітохондрій, набагато більше, ніж цим клітинам потрібно для забезпечення енергією власного життя і функціонування. Саме через велику кількість мітохондрій у цих клітинах, така жирова тканина виглядає не білою, а дещо бурою. Бурий жир – це завжди підшкірний жир.

Давно було встановлено, що у немовлят є багато бурого жиру. Довгий час вважалося, що з віком він зникає і замінюється білим жиром. Але зараз вважається, що бурий жир може бути і у дорослих, і навіть у старих людей зі здоровим обміном речовин (метаболізмом).

У бурому жирі більшість мітохондрій від'єднані від заряджання АТФ (працюють на холостому ході). Вони спалюють той самий жир, який накопичений у жирових клітинах, і продукують тепло. Для немовлят це важливо, бо, коли холодно, в них немає можливості підвищити продукування тепла шляхом підвищення фізичної активності. Для дорослих це менш важливо, бо в них вже достатньо розвинені м'язи, і вони можуть збільшити продукування тепла, збільшивши м'язову активність. Дрижання при холоді – це якраз і є таке збільшення м'язової активності для збільшення продукування тепла.

Дорослі, у яких зберігся бурий жир, легше переносять холод.  І, як не дивно, вони ж легше переносять спеку. Це тому, що підшкірний бурий жир, завдяки своєму додатковому нагріву, швидше віддає тепло, ніж поглинає.

Спалювання жирів мітохондріями бурого жиру не блокується високим рівнем інсуліну. Інсулін блокує видачу жирів для спалювання іншими клітинами. А у жирових клітинах він якраз і зберігається, тобто, "дозвіл" на його видачу для спалювання не потрібен. Бурий жир може спалювати жири, навіть коли рівень інсуліну високий, і решта організму не може цього робити.

Утворенню бурого жиру сприяє те ж саме, що сприяє розмноженню мітохондрій. У першу чергу, це здоровий обмін речовин при нормально працюючій системі автоматичної регуляції метаболізму. Якщо ж ця система зламана, у процесі її відновлення може знов з'явитися якась кількість бурого жиру.

Мітохондрії пошкоджуються іонізуючою та ультрафіолетовою радіацією, різними токсичними хімічними речовинами, у тому числі, тими, які є у табачному диму, так званими вільними радикалами, у результаті довготривалого стресу і довготривалого запалення. Також вони пошкоджуються при надто інтенсивному заряджанні молекул АТФ за рахунок спалювання глюкози.  Також фруктоза, коли вона є у крові, втручається в їх роботу і прискорює їх пошкодження. І алкоголь втручається приблизно тим же чином, що й фруктоза, і з тими ж наслідками.

Такі пошкодження призводять до зменшення кількості мітохондрій і збільшення навантаження на кожну з них. З часом мітохондрії стають нездатними виробляти енергію у такій кількості, як раніше. Оскільки ця енергія потрібна не тільки для руху, але й для оновлення клітин і всіх біохімічних процесів у клітинах, увесь організм починає працювати гірше.

Це і є порушенням метаболізму. Те, що шкодить метаболізму, також шкодить мітохондріям, а пошкоджені мітохондрії не можуть забезпечувати нормальний метаболізм.

Покращує метаболізм усунення факторів, які його пошкоджують (або хоча б тих із них, які відносно нескладно усунути), а також надання мітохондріям "пального", яке зменшує навантаження на них, у першу чергу, кетонових тіл. 

Також фізичні вправи і обливання холодною водою (холодний душ), через дуже складний ланцюг механізмів, стимулює розмноження мітохондрій, що покращує умови їх життя, а відтак, покращує метаболізм.

Десь у 2010-х роках хворобу Альцгеймера деякі вчені-медики почали характеризувати як діабет третього типу. Це тому, що з'явилися достатньо надійні свідчення зв'язку стійкого підвищення рівня глюкози в крові із розвитком цієї хвороби. Також відзначається, що симптоми цієї хвороби в останні десятиліття стали з'являтися у більш ранньому віці. Це пов'язується зі збільшенням споживання вуглеводів, особливо цукру, і зменшенням споживання насичених жирів за два-три десятиліття до початку "помолодшення" цієї хвороби. Таке запізнення (у 2-3 десятиліття) цілком зрозуміле. Мозок є одним з найбільш захищених органів, і порушення метаболізму призводять до порушень роботи мозку не одразу. Можна було б вважати, що це співпадіння, але є підтвердження зв'язку хвороби Альцгеймера із порушеннями метаболізму на рівні біохімії нервових клітин.

Інші форми деменції (і зниження віку, коли починають проявлятися їх симптоми) також пов'язують з порушеннями метаболізму. Також встановлений зв'язок між порушеннями метаболізму і хворобою Паркінсона. Між початком порушень метаболізму і першими проявами симптомів цих хвороб проходить кілька десятиліть. Оскільки порушення метаболізму зараз починаються раніше, також і симптоми цих хвороб з'являються раніше.

У багатьох випадках виправлення метаболізму, який збільшував доступність кетонових тіл клітинам мозку, пом'якшувало симптоми цих хвороб. 

Є певні свідоцтва, що у людей з порушеннями метаболізму набагато частіше розвивається депресія і з'являється схильність до суїциду, ніж у людей без таких порушень. Є також свідоцтва, що виправлення порушень метаболізму щонайменше допомагає людям подолати депресію і зменшує спроби суїциду.

З 1950-х років відомо, що застосування кето-дієти, або будь-якої дієти, яка обмежує споживання вуглеводів із заміною їх жирами, для людей з епілепсією суттєво зменшує частоту приступів цієї хвороби.

Усі ці свідоцтва можна не вважати науковими доказами. Є лише десятки тисяч відомих свідчень тих, хто спробував відновити метаболізм і відчув полегшення названих симптомів і хвороб. І напевне, є кілька мільйонів людей, які досягли аналогічних результатів, але не ділилися своїм досвідом, щоб уникнути звинувачень у некомпетентності, або навіть у шахрайстві.

Тож Вам ніхто нічого не рекомендує. Не доведено – ігноруйте. Або не ігноруйте. Вам вирішувати.

Мітохондрії – це особливі структури в клітинах живих організмів, окрім найпростіших – бактерій і архей. Вони виробляють енергію для заряджання молекул АТФ. 

Поява мітохондрій стала революцією у розвитку життя на Землі. По суті, колись мітохондрії були окремими бактеріями, які чомусь оселилися в середині більших бактерій чи архей і взяли на себе клопіт по забезпеченню більших бактерій зарядженими молекулами АТФ, а більші бактерії взяли на себе клопіт по забезпеченню мітохондрій пальним. Мітохондрії мають окремий генетичний код від решти клітини, і цей код передається тільки від матері до дитини. Мітохондрії всередині клітини живуть "власним життям" – вони можуть об'єднуватися і розмножуватися, вони також із часом вмирають і замінюються молодими мітохондріями. Їх кількість у клітині може збільшуватися або зменшуватися.

Щоб заряджати енергією молекули АТФ, мітохондрії "спалюють" (окислюють) пальне – глюкозу, жирні кислоти і кетонові тіла, і для цього їм потрібен кисень. Основними "продуктами згоряння" пального є вуглекислий газ і вода. Ця робота поступово зношує мітохондрії. Не всі види пального однакові для мітохондрій. Найкращим пальним для них є кетонові тіла, а найгіршим – глюкоза. Повністю виключити глюкозу із пального для мітохондрій неможливо, але збільшення частки кетонів відносно частки глюкози покращує роботу мітохондрій.

Коли мітохондрій багато, частина з них може тимчасово відключатися від заряджання молекул АТФ. При цьому вони продовжують "спалювати" пальне для власних потреб, але у меншому обсязі. Також при цьому вони продукують тепло. Коли ж треба прискорити заряджання молекул АТФ, мітохондрії можуть швидко перейти з відпочинку до роботи. Якщо ж мітохондрій мало, вони всі працюють постійно. При цьому у них нема резерву для прискорення заряджання АТФ, а також вони швидше зношуються.

Метаболізм (обмін речовин) і мітохондрії тісно пов'язані. Вплив факторів, які порушують роботу мітохондрій, також порушує метаболізм. Порушення метаболізму через надмірне споживання вуглеводів, і особливо цукру і фруктози, шкодить мітохондріям, що ще сильніше порушує метаболізм.

Є багато свідчень зв'язку між порушенням метаболізму і розумовими і психічними розладами. Є також свідчення, що покращення метаболізму, якщо і не позбавляє цих розладів, то помітно полегшує їх прояви.