Mitochondriën en energie: wat zijn het en wat zegt onderzoek?

Mitochondriën zijn subcellulair aanwezig in vrijwel alle menselijke cellen en zijn verantwoordelijk voor de productie van het grootste deel van de cellulaire energie in de vorm van ATP. Daardoor staan deze organellen centraal in onderzoek naar celbiologie, inspanning, veroudering en voeding. In dit artikel lees je hoe mitochondriën zijn opgebouwd, hoe ATP-productie verloopt en welke voedingsstoffen in wetenschappelijk onderzoek worden bestudeerd.

Mitochondriale biologie: structuur, aantal en mtDNA

Mitochondriën worden vaak de ‘energiecentrales’ van de cel genoemd. Die vergelijking is bruikbaar, maar onvolledig: mitochondriën zijn dynamische organellen die onder meer betrokken zijn bij de verwerking van brandstoffen, calciumsignalen en geprogrammeerde celdood. Hun bekendste taak is de omzetting van energie uit voedingsstoffen naar ATP, de moleculaire energiedrager die cellen direct kunnen gebruiken.^[1]

Een mitochondrium heeft een buitenmembraan, een sterk geplooid binnenmembraan, een ruimte tussen beide membranen en een matrix. De plooien in het binnenmembraan heten cristae. Juist daar bevinden zich de eiwitcomplexen die bij oxidatieve fosforylering samenwerken. De matrix bevat enzymen voor stappen van de citroenzuurcyclus, maar ook mitochondriaal DNA en de machinerie om een klein deel van de mitochondriale eiwitten zelf te maken.^[2]

Het aantal mitochondriën is niet voor iedere cel gelijk. Cellen verschillen in vorm, inhoud en energiebehoefte; daarom verschilt ook hun mitochondriale massa. Hartspiercellen en skeletspiercellen bevatten bijvoorbeeld veel mitochondriën, terwijl ook binnen één weefsel verschillen kunnen bestaan. Het is dus nauwkeuriger om te spreken over mitochondriale inhoud of dichtheid dan over één vast aantal mitochondriën per cel.

Naast het DNA in de celkern hebben mitochondriën hun eigen genetisch materiaal: mtDNA. Het menselijke mtDNA is een rond molecuul van ongeveer 16,6 kilobasen en bevat 37 genen. Daarvan coderen 13 genen voor eiwitsubeenheden die deel uitmaken van de elektronentransportketen; de overige genen coderen voor rRNA en tRNA. De meeste mitochondriale eiwitten worden echter door genen in de celkern gecodeerd en vervolgens naar het organel getransporteerd.^[3]

Mitochondriale biogenese en onderhoud

Cellen kunnen hun mitochondriale netwerk aanpassen. De vorming van nieuwe mitochondriën en toename van mitochondriale bestanddelen wordt mitochondriale biogenese genoemd. Dit vraagt om gecoördineerde genexpressie in zowel de celkern als de mitochondriën. Tegelijkertijd veranderen mitochondriën voortdurend van vorm via fusie en deling. Beschadigde onderdelen kunnen via mitofagie worden afgebroken. In onderzoek worden deze processen samen vaak aangeduid als mitochondriale kwaliteitscontrole.^[4]

ATP-productie en oxidatieve fosforylering

ATP staat voor adenosinetrifosfaat. Wanneer een fosfaatgroep van ATP wordt afgesplitst, komt energie beschikbaar voor processen zoals spiercontractie, transport door celmembranen en de opbouw van grotere moleculen. ATP wordt voortdurend verbruikt en opnieuw gevormd; het lichaam slaat maar een beperkte directe voorraad ATP op.

De belangrijkste route voor ATP-vorming in mitochondriën is oxidatieve fosforylering. Koolhydraten, vetten en in bepaalde omstandigheden aminozuren leveren daarbij elektronen in de vorm van NADH en FADH₂. Deze draagmoleculen ontstaan onder andere tijdens de citroenzuurcyclus in de mitochondriale matrix.

De elektronen gaan vervolgens door de elektronentransportketen in het binnenmembraan. Complex I neemt elektronen van NADH over; complex II levert elektronen vanuit FADH₂. Co-enzym Q, ook ubiquinon genoemd, verplaatst elektronen in het membraan naar complex III. Cytochroom c brengt ze daarna naar complex IV. Daar is zuurstof de uiteindelijke elektronenacceptor en ontstaat water.^[2]

Bij de doorgifte van elektronen verplaatsen complexen I, III en IV protonen naar de ruimte tussen de twee membranen. Zo ontstaat een elektrochemisch verschil over het binnenmembraan. Wanneer protonen via ATP-synthase (complex V) terugstromen naar de matrix, gebruikt dit enzym die gradiënt om ATP te vormen uit ADP en fosfaat. Dit mechanisme heet chemiosmose. De koppeling tussen elektronenoverdracht en ATP-vorming verklaart de naam oxidatieve fosforylering.

Dit systeem werkt niet als een losstaand fabriekslijntje. Beschikbaarheid van zuurstof, brandstoffen, ADP, enzymen en de membraanstructuur spelen allemaal een rol. Bovendien ontstaat bij gewone mitochondriale ademhaling ook een kleine hoeveelheid reactieve zuurstofverbindingen. Cellen beschikken over meerdere enzymatische systemen die hierbij betrokken zijn; de betekenis van meetwaarden rond oxidatieve stress hangt af van het onderzochte model en de gebruikte methode.^[5]

Mitochondriële gezondheid in onderzoek: leeftijd, leefstijl en voeding

‘Mitochondriale gezondheid’ is geen eenduidige klinische diagnose. In wetenschappelijke publicaties kan de term verwijzen naar verschillende metingen: zuurstofverbruik, ATP-productie, mtDNA-kopieaantal, vorm van het mitochondriale netwerk of activiteit van enzymen. Een uitslag uit één onderzoek vertelt daarom niet automatisch het hele verhaal.

Leeftijd is een belangrijke onderzoeksvariabele. Een overzichtsartikel in FEBS Letters beschrijft dat mtDNA-kopieaantal tussen weefsels sterk varieert en gedurende het leven kan veranderen. De auteurs bespreken dit als een maat die samenhangt met mitochondriale biogenese en functie, maar benadrukken ook dat het kopieaantal op zichzelf geen volledige functietest is.^[3]

Leefstijl is een tweede onderzoeksgebied. In skeletspier hangt de mitochondriale inhoud samen met het gebruikelijke bewegingspatroon. Een review in Cell Metabolism beschrijft hoe herhaalde inspanningsprikkels signaleringsroutes kunnen activeren die betrokken zijn bij mitochondriale aanpassingen in spierweefsel. De aard van die aanpassingen verschilt met trainingsvorm, duur, intensiteit en de onderzochte populatie.^[6]

Ook voeding wordt meestal als context onderzocht, niet als een afzonderlijke knop waarmee mitochondriën eenvoudig zijn te sturen. Macronutriënten leveren de bouwstenen en brandstoffen voor stofwisselingsroutes. Micronutriënten kunnen als cofactor dienen in enzymreacties. Wat een laboratoriumbevinding, diermodel of biomarker precies betekent voor gezonde mensen in het dagelijks leven, vraagt steeds om terughoudende interpretatie.

Voedingsstoffen die worden bestudeerd

Wie zoekt op mitochondriën supplement, ziet vaak stoffen die betrokken zijn bij energiestofwisseling of die in mitochondriaal onderzoek voorkomen. Betrokkenheid bij een biochemisch proces is echter niet hetzelfde als een bewezen effect van een supplement. Hieronder staat de wetenschappelijke context per stof, met een duidelijk onderscheid tussen toegestane voedingsclaims en stoffen zonder toegestane claim.

CoQ10, PQQ, NADH en D-ribose

Co-enzym Q10 is een vetoplosbaar molecuul dat in het binnenmembraan van mitochondriën voorkomt en elektronen overdraagt tussen complex I of II en complex III. PQQ (pyrroloquinoline quinone) is een redoxactieve verbinding die in preklinisch en kleinschalig humaan onderzoek wordt onderzocht. NADH is de gereduceerde vorm van NAD⁺ en fungeert in de cel als elektronendrager. D-ribose is een suiker die als bouwsteen voorkomt in nucleotiden, waaronder ATP.

Voor CoQ10, PQQ, NADH en D-ribose zijn geen door de EU geautoriseerde gezondheidsclaims beschikbaar die een effect op energie, mitochondriën of vermoeidheid onderbouwen. Onderzoek naar deze afzonderlijke stoffen kan hypotheses en biochemische mechanismen beschrijven, maar vormt geen bewijs voor een gezondheidseffect van een product bij een individuele gebruiker. Deze informatie is gebaseerd op wetenschappelijk onderzoek naar afzonderlijke ingrediënten en geldt niet als gezondheidsclaim voor een product.

B-vitamines en magnesium: toegestane claims

B-vitamines en magnesium zijn essentiële voedingsstoffen met geautoriseerde gezondheidsclaims, mits een voedingsmiddel of supplement aan de wettelijke gebruiksvoorwaarden voldoet. De letterlijke toegestane claim luidt voor thiamine (B1), riboflavine (B2), niacine (B3), pantotheenzuur (B5), vitamine B6, biotine en vitamine B12: “Draagt bij tot een normaal energieleverend metabolisme.”^[7]

Voor magnesium luidt de letterlijke toegestane claim eveneens: “Draagt bij tot een normaal energieleverend metabolisme.” Daarnaast is voor magnesium de claim “Draagt bij tot de vermindering van vermoeidheid en moeheid” toegestaan, wanneer aan de voorwaarden voor gebruik is voldaan.^[7] Deze claims gaan over de genoemde voedingsstof en niet over mitochondriën als zodanig, een formule als geheel of een individueel ervaren resultaat.

Verschillende B-vitamines vervullen in de stofwisseling cofactorrollen. Zo is niacine een voorloper van NAD⁺ en NADP⁺, en is riboflavine een bouwsteen van FAD en FMN. Magnesium vormt in cellen vaak complexen met ATP. Dit beschrijft hun biochemische plaats in het metabolisme; de toepasselijke communicatie over producten blijft beperkt tot de toegestane claims.

Leefstijl in relatie tot mitochondriën

Onderzoek naar mitochondriën kijkt niet alleen naar voedingsstoffen. Beweging, slaap en voeding vormen de dagelijkse context waarin cellen energie verwerken. Dit zijn algemene leefstijlfactoren, geen vervanging voor medische beoordeling bij aanhoudende of ernstige klachten.

Beweging

Spierweefsel past zich aan herhaalde inspanning aan. Onderzoekers meten daarbij bijvoorbeeld enzymactiviteit, zuurstofverbruik en markers voor mitochondriale biogenese. De review van Granata en collega’s beschrijft dat duur- en intervaltraining verschillende, maar overlappende mitochondriale aanpassingen in skeletspier kunnen oproepen. De uitkomsten hangen af van het trainingsprotocol en van wie er wordt onderzocht.^[6]

Slaap

Slaap is een actief onderzoeksgebied binnen de stofwisseling. Een studie gepubliceerd in Science Advances onderzocht 15 gezonde jonge mannen na één nacht slaapverlies en na een nacht slaap in een cross-overopzet. De onderzoekers rapporteerden in skeletspier veranderingen in genexpressie, waaronder genen die geassocieerd zijn met oxidatieve fosforylering. Dit betreft een acute experimentele situatie en kan niet één-op-één worden vertaald naar dagelijkse slaapgewoonten of supplementgebruik.^[8]

Voeding

Een gevarieerd voedingspatroon levert energie en essentiële voedingsstoffen. De verwerking van koolhydraten en vetten levert onder meer NADH en FADH₂ voor de elektronentransportketen. Voor micronutriënten geldt dat een gevarieerde voeding de basis blijft; een supplement is geen vervanging voor een evenwichtige voeding en gezonde leefstijl.

Verder lezen en producten bekijken

Wil je de verschillende ingrediënten naast elkaar zetten? Lees dan onze vergelijking van PQQ en CoQ10 en het verdiepende artikel wat ATP is en welke rol het in cellen heeft. Deze artikelen bouwen voort op de biochemische basis op deze pagina.

In het assortiment vind je onder meer NOW Foods PQQ Energy, met PQQ, vitamine B12, acetyl-L-carnitine en CoQ10, en ATP 360, een formule met onder andere CoQ10, PQQ, R-lipoïnezuur, fosfolipiden, NADH en thiamine. De keuze voor een product zegt niets over de effectiviteit van deze stof voor een individuele gebruiker. Lees altijd het etiket en volg de aangegeven gebruiksaanwijzing.

Disclaimer

Dit supplement is geen geneesmiddel en is niet bedoeld voor de diagnose, behandeling, genezing of preventie van enige ziekte.

De claims over CoQ10, PQQ, NADH en D-ribose zijn gebaseerd op wetenschappelijk onderzoek naar afzonderlijke ingrediënten en zijn niet goedgekeurd door de EU als gezondheidsclaim. De aangehaalde studies betreffen onder meer mechanistisch onderzoek, laboratoriumonderzoek en kleinschalige humane studies. Deze bevindingen kunnen niet worden vertaald naar bewezen gezondheidseffecten van een supplement bij mensen.

Gebruik je medicijnen, ben je zwanger of geef je borstvoeding, of heb je een medische aandoening? Vraag dan een arts of apotheker om advies voordat je een supplement gebruikt.