Cellulaire vitaliteit: het spanningsveld in de mitochondria

Mitochondria zijn unieke organellen in de cel. Tussen mitochondria en bacteriën bestaan daarentegen opvallende overeenkomsten met mogelijke wederzijdse interacties. Het adaptatievermogen van mitochondria is van cruciaal belang voor de energiehuishouding en overleving van de cel. De biologische respons, gericht op mitochondriële adaptatie, wordt mitohormese genoemd. De balans tussen fagocytose en hormese in de mitochondria bepaalt mede langdurende metabole en biochemische veranderingen, die cellulaire veroudering kunnen vertragen en algehele levensduur kunnen verlengen. De impact van vrije radicalen is hierbij van groot belang en staat op gespannen voet met de anti-oxidatieve capaciteit. Epigenetische factoren, zoals fysieke inspanning, calorische inname, micronutriëntenstatus en de inname van plantstoffen bepalen mede de cellulaire vitaliteit.

Vergeleken met alle andere organellen in de cel zijn mitochondria uniek omdat ze hun eigen DNA bevatten, dus gescheiden van het DNA in de celkern. Enkele proteïnen van het mitochondrium worden door eigen ribosomen geproduceerd. Er zijn ongeveer 3000 genen beschikbaar om een mitochondrium te maken. Het mitochondriële DNA codeert maar voor 37 van deze genen. Slechts enkele procenten van de genen die nodig zijn om een mitochondrium te maken zijn toegewezen om ATP te maken. Meer dan 95 procent van de betreffende genen zijn betrokken bij andere functies gebonden aan de speciale taken van de cel waarin het mitochondrium verblijft.

Interacties met bacteriën

Met haar hypothese Symbiosis in Cell Evolution verklaart Lynn Margulis opvallende overeenkomsten tussen mitochondria en bacteriën. Bij diverse studies op mensen en kleine zoogdieren zijn inmiddels interacties waargenomen tussen microben van het eigen microbioom en mitochondria. Intestinale bacteriën kunnen bijvoorbeeld een belangrijke leverancier zijn van metabolieten die door mitochondria in spierweefsel worden gebruikt voor het stabiliseren van het lokale milieu. Aldus kunnen intestinale floraculturen de mitochondriële stofwisseling, feitelijk het energiemetabolisme van de gastheercel, bevorderen of verstoren.

Water

Evenzo is een cruciale rol weggelegd voor water. Het elektronentransport vormt het laatste deel van de tweetrapslancering bij de productie van ATP in de mitochondria. Bij de productie van lichaamsenergie produceren de energiefabriekjes tevens de ‘afvalstoffen’ kooldioxide en water, die worden uitgescheiden als zweet, waterdamp of urine. Tegelijkertijd kan het lichaam de waterstofatomen uit het water gebruiken om deze te binden aan ongebonden zuurstofatomen, die schadelijk zijn voor de cel.

Mitohormese en ROS

De term mitohormese definieert de biologische respons waarbij de aanwezigheid van low stress in en rondom de mitochondria leidt tot een toename van gezondheid en levensvatbaarheid in de cel. Die mitochondriale stressrespons, geactiveerd door een potentieel schadelijke stimulus, vereist een gecoordineerde dialoog met de celkern en wordt mitonucleaire communicatie genoemd. Mitohormese impliceert tevens dat grote hoeveelheden ROS oxidatieve stress kunnen veroorzaken die cytotoxisch is, terwijl een beperkte aanwezigheid van ROS juist het adaptatievermogen stimuleert.

Cellen en mitochondria beschikken over anti-oxidatieve mechanismen die de potentieel schadelijke ROS kunnen inactiveren. De enzymen superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) en glutathion peroxidase (GP), peroxiredoxine en thioredoxine fungeren gezamenlijk als vrijeradicalenopruimers, waarmee spiegels van ROS proportioneel aanvaardbaar blijven. Het dominante molecuul bij het beperken en repareren van vrijeradicalenschade is glutathion.

Vele situaties kunnen cellulaire stress veroorzaken, waarbij de mitochondria in hun functioneren bedreigd worden. Bijvoorbeeld acuut of chronisch zuurstofgebrek, een acute toename van de behoefte aan ATP, of een langdurig verlaagde spiegel van bloedglucose. Om de cel te informeren van hun verhoogde stressbeleving produceren ze vervolgens meer signaalmoleculen, zoals mTOR, AMPK, Nrf2, HSP, sirtuïns en ROS, om de cel te dwingen tot een moleculaire respons.

Mitofagie

Naast het stimuleren van de cellulaire anti-oxidatieve capaciteit reguleert mitochondriële stress eveneens cellulaire en mitochondriële autofagie en mitochondriële biogenesis. Autofagie en mitofagie zijn natuurlijke, intelligente processen verantwoordelijk voor de afbraak van cellulaire componenten, waarmee de cel wordt beschermd tegen de opeenhoping van beschadigde en verbruikte biomoleculen. De selectieve verwijdering van beschadigde mitochondria wordt mitofagie genoemd. Mitofagie controleert de levensduur van mitochondria en voorkomt de accumulatie van disfunctionele exemplaren.

Het controleren en optimaliseren van de balans tussen mitofagie en mitohormese kan bijdragen aan langdurende metabole en biochemische veranderingen, die cellulaire veroudering vertragen en de algehele levensduur verlengen. Twee prominente epigenetische factoren zijn lichaamsbeweging en calorische restrictie, die beide de productie van ROS doen toenemen. De cel reageert vervolgens door mechanismen te activeren die zorgen voor anti-oxidatieve verdediging en schadereparatie.

Antioxidanten

De tweeledige betrokkenheid van micronutriënten met anti-oxidatieve werkzaamheid is een cruciale factor bij het balanceren tussen fagocytose en adaptatie. Volgens de inmiddels gedateerde theory of aging was het onschadelijk maken van ROS met therapeutische doseringen van exogene antioxidanten een belangrijke interventie bij het tegengaan van vrijeradicalenstress. Echter, uit klinische studies met hoge doses vitaminen is niet vast te komen te staan dat de verouderingshypothese valide is. Excessieve inname van antioxidanten kunnen de mitohormese belemmeren en hiermee de cellulaire effecten wegnemen.

Fytochemicaliën

Hoewel hoge doses vitaminen verstorend kunnen werken, kan voeding met grote hoeveelheid aan antioxidantrijke plantstoffen wel beschermend werken. Groenten en fruit kunnen het lichaam voorzien van adequate hoeveelheden vitaminen, mineralen en sporenelementen zonder overdosering. Voorts beschikken zij over plantstoffen of fytochemicaliën, die xenohormese tot stand kunnen brengen. Enzymen, zoals SOD, CAT en glutathionperoxidase kunnen gemoduleerd worden door moleculen en metabolieten afkomstig van bijvoorbeeld broccoli, groene theeblad, aardbei, citrusvruchten, bessen, cacao, kaneel, rozemarijn, gember, geelwortel, Rhodiola rosea en Withania somnifera.

Conclusies

Mitohormese verenigt op moleculair niveau een groot aantal levensduur regulerende communicatiewegen. Dominante epigenetische factoren hierbij zijn voedingswijze en bewegingsintensiteit. De duale functie van vrije radicalen (ROS) en de verwerking van vrijeradicalenstress in de mitochondria en in de cel zijn bepalend voor de mate van schade of adaptatie. Optimalisatie van de balans tussen de aanwezigheid van ROS en reparatiecapaciteit vergroot de kans op toename van de mitochondriële en cellulaire vitaliteit.

Robert van Esch MSc.
Psycho-neuro-immunoloog

Robert werkt reeds meer dan 15 jaar als zorgverlener samen met de bedrijfsgeneeskunde, fysiotherapie, osteopathie en psychologie. Hij heeft mesologie gestudeerd en zich verder ontwikkeld in de psycho-neuro-immunologie en CAM (complementary alternative medicine) met specialisatie fytotherapie. Zijn niet aflatende interesse voor de natuur, fysiologie en samenhang met omgevingsfactoren zoals leefstijl, heeft hem gevormd tot een veelzijdig denker en bevlogen docent van de stichting ReThink. www.rethinkfoundation.nl