Πώς τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες μοιάζουν με βακτήρια;

Πριν από τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια πριν, οι πρώτες μορφές ζωής εμφανίστηκαν στη Γη και αυτές ήταν οι πρώτες βακτηρίδια. Αυτά τα βακτήρια εξελίχθηκαν με την πάροδο του χρόνου και τελικά διακλαδίστηκαν στις πολλές μορφές ζωής που παρατηρούνται σήμερα. Τα βακτήρια ανήκουν στην ομάδα οργανισμών που ονομάζονται προκαρυωτικά, μονοκύτταρα οντότητες που δεν περιέχουν εσωτερικές δομές συνδεδεμένες με μεμβράνες. Η άλλη κατηγορία οργανισμών είναι οι ευκαρυωτικοί που έχουν πυρήνες συνδεδεμένους με μεμβράνη και άλλες δομές. Τα μιτοχόνδρια, τα οποία παρέχουν ενέργεια για το κύτταρο, είναι μία από αυτές τις δομές που συνδέονται με τη μεμβράνη που ονομάζονται οργανίδια. Οι χλωροπλάστες είναι οργανίδια στα φυτικά κύτταρα που μπορούν να παράγουν τροφή. Αυτά τα δύο οργανίδια έχουν πολλά κοινά με τα βακτήρια και μπορεί στην πραγματικότητα να έχουν εξελιχθεί απευθείας από αυτά.

Τα βακτήρια φέρουν το DNA τους, το μόριο που περιέχει γονίδια, σε κυκλικά συστατικά που ονομάζονται πλασμίδια. Τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες έχουν το δικό τους DNA που μεταφέρεται σε δομές τύπου πλασμιδίου. Επιπλέον, το DNA των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών, όπως το βακτήριο, δεν προσκολλάται σε προστατευτικές δομές που ονομάζονται ιστόνες που δεσμεύουν το DNA. Αυτά τα οργανίδια δημιουργούν το δικό τους DNA και συνθέτουν τις δικές τους πρωτεΐνες ανεξάρτητα από το υπόλοιπο κύτταρο.

Τα βακτήρια παράγουν πρωτεΐνες σε δομές που ονομάζονται ριβοσώματα. Η διαδικασία παραγωγής πρωτεϊνών ξεκινά με το ίδιο αμινοξύ, μία από τις 20 υπομονάδες που απαρτίζουν τις πρωτεΐνες. Αυτό το αρχικό αμινοξύ είναι Ν-φορμυλομεθειονίνη σε βακτήρια καθώς και μιτοχόνδρια και χλωροπλάστες. Η Ν-φορμυλομεθειονίνη είναι μια διαφορετική μορφή του αμινοξέος μεθειονίνη. Οι πρωτεΐνες που παράγονται στα υπόλοιπα ριβοσώματα του κυττάρου έχουν διαφορετικό σήμα έναρξης - απλή μεθειονίνη. Επιπλέον, τα ριβοσώματα χλωροπλαστών είναι πολύ παρόμοια με τα βακτηριακά ριβοσώματα και διαφέρουν από τα ριβοσώματα των κυττάρων.

Τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες κάνουν περισσότερα από αυτά με τον ίδιο τρόπο όπως αναπαραγωγή βακτηρίων. Εάν τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες απομακρυνθούν από ένα κύτταρο, το κύτταρο δεν μπορεί να κάνει άλλα από αυτά τα οργανίδια να αντικαταστήσουν αυτά που αφαιρέθηκαν. Ο μόνος τρόπος με τον οποίο αυτά τα οργανίδια μπορούν να αναπαραχθούν είναι μέσω της ίδιας μεθόδου που χρησιμοποιείται από τα βακτήρια: δυαδική σχάση. Όπως τα βακτήρια, τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες μεγαλώνουν, αντιγράφουν το DNA τους και άλλες δομές και στη συνέχεια χωρίζονται σε δύο πανομοιότυπα οργανίδια.

Η λειτουργία των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών φαίνεται να διακυβεύεται από τη δράση των ίδιων αντιβιοτικών που προκαλούν προβλήματα στα βακτήρια. Τα αντιβιοτικά όπως η στρεπτομυκίνη, η χλωραμφενικόλη και η νεομυκίνη σκοτώνουν βακτήρια, αλλά προκαλούν επίσης βλάβη στα μιτοχόνδρια και στους χλωροπλάστες. Για παράδειγμα, η χλωραμφενικόλη δρα στα ριβοσώματα, τις δομές στα κύτταρα που είναι οι θέσεις παραγωγής πρωτεϊνών. Το αντιβιοτικό δρα συγκεκριμένα στα βακτηριακά ριβοσώματα. Δυστυχώς, επηρεάζει επίσης τα ριβοσώματα στα μιτοχόνδρια, καταλήγει σε μια μελέτη του 2012 από τον Δρ Alison E. Ο Barnhill και οι συνεργάτες του στο Κολέγιο Κτηνιατρικής Ιατρικής του Iowa State University και δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό "Αντιμικροβιακοί Πράκτορες και Χημειοθεραπεία".

Λόγω της εντυπωσιακής ομοιότητας μεταξύ χλωροπλαστών, μιτοχονδρίων και βακτηρίων, οι επιστήμονες άρχισαν να εξετάζουν τη σχέση τους μεταξύ τους. Ο βιολόγος Lynn Margulis ανέπτυξε την ενδοσυμβιωτική θεωρία το 1967, εξηγώντας την προέλευση των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών στα ευκαρυωτικά κύτταρα. Ο Δρ Margulis θεωρούσε ότι τόσο τα μιτοχόνδρια όσο και οι χλωροπλάστες προέρχονταν από τον προκαρυωτικό κόσμο. Τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες ήταν στην πραγματικότητα προκαρυωτικά, απλά βακτήρια που σχημάτισαν σχέση με τα κύτταρα ξενιστές. Αυτά τα κύτταρα ξενιστές ήταν προκαρυωτικά που δεν μπορούσαν να ζήσουν σε περιβάλλοντα πλούσια σε οξυγόνο και καταπλήρωσαν αυτούς τους μιτοχονδριακούς προδρόμους. Αυτοί οι οργανισμοί-ξενιστές παρείχαν τροφή στους κατοίκους τους με αντάλλαγμα το ότι μπορούν να επιβιώσουν σε ένα δηλητηριώδες περιβάλλον που περιέχει οξυγόνο. Οι χλωροπλάστες από φυτικά κύτταρα μπορεί να προέρχονται από οργανισμούς παρόμοιους με τα κυανοβακτήρια. Ο πρόδρομος χλωροπλάστης ζούσε συμβιωτικά με φυτικά κύτταρα επειδή αυτά τα βακτήρια θα παρέχουν στους ξενιστές τους τροφή με τη μορφή γλυκόζης, ενώ τα κύτταρα ξενιστές θα προσφέρουν ένα ασφαλές μέρος ζω.