Митохондрии – одна из самых горячих тем сегодняшней науки о мышцах, с ними связывают многие существующие в мышцах процессы.

И точно так же они являются центральным звеном исследований в вопросах здоровья, старения и не только.

Митохондрии – это энергостанции, и их основная функция – генерация энергии АТФ.
Но также они являются важнейшим центром эпигенетического регулирования, участвуют в синтезе гемоглобина (в них синтезируется гем), в сборке основных компонентов нуклеотидов ДНК, в утилизации ряда метаболитов, таких как аммиак и сероводород, много в чем еще.

Более того, практически весь вдыхаемый кислород потребляется митохондриями. Образно говоря, ради них мы и дышим.

Еще несколько интересных фактов:
• Электрический разряд в митохондриях сильнее чем в молнии.
• Температура внутри них – 50 градусов. В этом смысле они действительно энергетический реактор клеток.
• 1 грамм митохондрий дает больше энергии чем 1 грамм солнца.

В этой теме коротко опишем МХ и отметим их специфику для скелетных мышц.

Любая митохондрия имеет 2 мембраны – наружную и внутреннюю. Промежуток между ними называется межмембранным пространством.

В наружную мембрану встроено множество каналов, которые пропускают туда и обратно практически все не слишком крупные молекулы.
Поэтому химический состав межмембранного пространства примерно такой же, как у окружающей цитоплазмы.
Отличия же касаются содержания специфических белков и особого протонного градиента во время синтеза АТФ.

Внутренняя мембрана, наоборот, очень малопроницаема для молекул и особенно для ионов. Именно на этой мембране идут многие ключевые процессы и потому она имеет множество увеличивающих ее поверхность складок, называемых кристами.

Окруженное ей внутреннее пространство называется матриксом.

АТФ митохондрии синтезируют в цепочке процессов называемых аэробным клеточным дыханием

1. Попавший в матрикс митохондрии пируват, или например жирные кислоты, превращаются в ацетил-КоА – эту стадию называют подготовительной.
2. Уже в виде ацетил-КоА они проходят через цикл Кребса (цикл лимонной кислоты), с выделением СО₂ (а также +NADH, FADH₂, и здесь же образуется, например, ГТФ (ГуанозинТриФосфат, который затем отдает Ф для ресинтеза АТФ).
3. Продукты цикла Кребса переходят в реакцию окислительного фосфорилирования, проходящую в белках дыхательной (электрон-транспортной) цепи на внутренней мембране. Эти белки переносят Н⁺ в межмембранное пространство, так что возникает сильная разница потенциалов.
4. Затем, по разнице потенциалов, эти Н⁺ возвращаются в матрикс через специальную белковую турбину – АТФ-синтазу. Поток ионов водорода так прокручивает эту турбину, что она механически собирает АТФ из АДФ и Ф.
Побочным продуктом окислительно фосфорилирования является вода.

Если же поток Н⁺ возвращается в матрикс не через АТФ-синтазу, а через, например, белок термогенин, такой есть в буром жире, то вместо синтеза АТФ вся энергия идет в тепло, обеспечивая сильный разогрев.

По итогу аэробного дыхания, АТФ образуется в матриксе митохондрии, но не может пройти через мембрану наружу. Здесь и срабатывает креатинфосфатный челнок.

Креатин проходит в межмембранное пространство, забирает фосфат у АТФ и уже в виде КрФ свободно выходит наружу доставляя заряженный фосфат по всей клетке, обеспечивая ресинтез АТФ на местах.

По митохондриям, из базовых моментов интересно еще и то, что у них предполагают симбиотическое происхождение.

По всей видимости, изначально они были отдельными бактериями, которых поглотили клетки эукариоты, и такой союз стал настолько выгодным, что теперь практически все более-менее развитые существа основаны на клетках с митохондриями (в случае растений, еще и с хлоропластами).

В пользу этой теории говорит и то, что у митохондрий есть свои ДНК и вся система белкового синтеза, причем бактериального, а не клеточного типа. И то, что внутренняя мембрана похожа на мембрану бактерии, а внешняя - на типичную вакуоль клетки и т.д.

О современном понимании митохондрий скелетных мышц.
(и митохондрий кардиомиоцитов - в них ситуация аналогична, но митохондрии, в основном, крупнее и хуже упорядочены).

Во-первых, митохондрии в МВ могут быть как одиночными, так и образовывать плотную сеть, опоясывающую миофибриллы. Её называют митохондриальным ретикулумом.

Одиночные митохондрии свойственны быстрым гликолитическим волокнам, а ретикулум — медленным окислительным.

Во-вторых, митохондрии неоднородны, они образуют разные популяции:

Митохондрии, расположенные между миофибриллами, называются межмиофибриллярными (интер(мио)фибриллярными) митохондриями.

Они компактнее и содержат больше АТФ-синтазы. В основном их сети расположены вплотную к триадам — местам выделения кальция.

Периферические митохондрии, расположенные между миофибриллами и сарколеммой, называются субсарколеммальными. Они крупнее, в них больше ферментов цикла Кребса и электронно-транспортной цепи.

Причем, среди них отдельно выделяют Пренуклеарные (окружающие ядра) и Периваскулярные, окружающие капилляры. Они еще более крупные и метаболически мощные.

Однако если митохондрии связаны с ретикулумом, то они действуют как единая система, дополняя друг друга.

В-третьих, в разных типах мышечных волокон митохондрии отличаются не только количественно, но и качественно. Например, в быстрых мышечных волокнах преобладают одни комплексы электрон-транспортной цепи, а в медленных — другие.

Кроме того, новые методы исследования показывают, что митохондрии потребляют больше кальция, чем предполагалось ранее. Примерно 10 % от всего объёма, выделяемого саркоплазматическим ретикулумом.

Они поглощают кальций во время сокращения и быстро высвобождают его во время расслабления.

Таким образом, кальций является важным сигналом для функционирования митохондрий, но в то же время митохондрии могут вносить свой вклад в клеточный гомеостаз кальция, выступая в роли кальциевого буфера и регулируя его высвобождение.

В контексте физических нагрузок и старения важно понимать и следующее.

В процессе работы митохондрии вырабатывают активные формы кислорода, которые в небольших количествах являются активаторами метаболизма. А в больших количествах могут наносить организму существенный вред.

Кроме того, митохондрии считаются центром запуска апоптоза — программы клеточной гибели.

В норме негативных сценариев не происходит, поскольку у митохондрий есть собственная антиоксидантная система. А апоптоз работает только против дефектных клеток.

Но при старении или просто при снижении качества митохондрий, например из-за отсутствия физической активности или, наоборот, из-за чрезмерных тренировок, механизмы дают сбой, и организм начинает уничтожать сам себя.

В любом случае, процесс нормализации и оздоровления (митохондрий) запускается физической нагрузкой. И в этом смысле тренировки, конечно же, обязательны.

Кроме того, помимо поддержания здоровья митохондрий, физические нагрузки стимулируют выработку целого ряда митохондриальных пептидов.

Они изучены далеко не полностью, исследования продолжаются. Но мы уже точно знаем, что они влияют на:
• повышение работоспособности;
• увеличение выработки энергии, снижение жировой массы;
• улучшение метаболических функций, уровня метаболизма;
• повышение устойчивости к клеточному стрессу;
• снижение количества маркеров старения.
А также выполняют целый ряд других полезных функций.