Τι χαρακτηριστικά μοιράζονται τα μιτοχόνδρια και τα βακτήρια;

Πριν από περίπου 1,5 δισεκατομμύριο χρόνια, τα πρωτόγονα βακτήρια κατοικούσαν μέσα σε μεγαλύτερα κύτταρα, με αποτέλεσμα μια στενή σχέση που θα διαμόρφωσε την εξέλιξη πιο πολύπλοκων, πολυκυτταρικών όντων. Το μεγαλύτερο κύτταρο ήταν ευκαρυωτικό, που σημαίνει ότι περιείχε οργανίδια - δομές περιβαλλόμενες από μεμβράνες, αλλά το προκαρυωτικό βακτηριακό κύτταρο δεν είχε τέτοια διάταξη. Τα μεγαλύτερα κύτταρα φοβόντουσαν το οξυγόνο, ένα δηλητήριο για την ύπαρξή τους, αλλά τα μικρότερα κύτταρα χρησιμοποίησαν το οξυγόνο για να παράγουν ενέργεια με τη μορφή του μορίου τριφωσφορικής αδενοσίνης ή ATP. Το ευκαρυωτικό κύτταρο τυλίγει τα βακτηρίδια με αρπακτικό τρόπο, αλλά κατά κάποιον τρόπο, ο αρπακτικός δεν πέπτει το θήραμα. Το αρπακτικό και το θήραμα εξαρτώνται αμοιβαία. Η πρώην βιολόγος του Πανεπιστημίου της Βοστώνης, Lynn Margulis, ανέφερε αυτό το ενδοσυμιωτικό σενάριο στη θεωρία της προέλευσης των μιτοχονδρίων, των ενεργειακών εργοστασίων των κυττάρων και του λόγου για τις πολυάριθμες ομοιότητές τους με τα βακτηρίδια κύτταρα.

Με βάση μόνο την εμφάνιση, οι επιστήμονες μπορούν να δημιουργήσουν μια σχέση μεταξύ των μιτοχονδρίων και των βακτηρίων. Τα μιτοχόνδρια έχουν παχύρρευστα σχήματα ζελένιας, παρόμοια με τα βακτήρια βακίλων σε σχήμα ράβδου. Ο μέσος όρος βάκιλος κυμαίνεται μεταξύ 1 και 10 μικρών σε μήκος, και τα μιτοχόνδρια τόσο των φυτικών όσο και των ζωικών κυττάρων μετρούνται στο ίδιο εύρος. Αυτές οι επιφανειακές παρατηρήσεις αποτελούν μια σειρά αποδεικτικών στοιχείων που υποστηρίζουν τη θεωρία ότι τα πρωτόγονα ευκαρυωτικά κύτταρα είχαν καταπίσει βακτηριακά κύτταρα, σχηματίζοντας αμοιβαία επωφελείς σχέσεις.

Τα βακτήρια αναπαράγονται σε μια διαδικασία που ονομάζεται σχάση. όταν ένα βακτήριο φτάνει σε ένα προκαθορισμένο μέγεθος, τσιμπά στη μέση, δημιουργώντας δύο οργανισμούς. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, τα μιτοχόνδρια αναπαράγονται σε μια παρόμοια διαδικασία. Το κέντρο διοίκησης του κυττάρου, ή ο πυρήνας, σηματοδοτεί το κύτταρο να παράγει οργανίδια, συνήθως πριν από ένα συμβάν διαίρεσης κυττάρων. Ωστόσο, μόνο τα μιτοχόνδρια - και οι χλωροπλάστες των φυτών - αναπαράγονται. Ενώ άλλα οργανίδια μπορούν να κατασκευαστούν από ουσίες εντός του κυττάρου, τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες πρέπει να διαιρεθούν για να αυξήσουν τον αριθμό τους. Όταν η παροχή ενέργειας με τη μορφή ATP εξαντλείται, τα μιτοχόνδρια διαιρούνται για να κάνουν περισσότερα μιτοχόνδρια για παραγωγή ενέργειας.

Τα μιτοχόνδρια διαθέτουν εσωτερικές και εξωτερικές μεμβράνες, με την εσωτερική μεμβράνη να αποτελείται από πτυχές που ονομάζονται cristae. Οι βακτηριακές κυτταρικές μεμβράνες έχουν πτυχές που ονομάζονται μεσοσώματα που μοιάζουν με τα cristae. Η παραγωγή ενέργειας πραγματοποιείται σε αυτές τις πτυχές. Η εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη περιέχει τους ίδιους τύπους πρωτεϊνών και λιπαρών ουσιών με τη βακτηριακή μεμβράνη πλάσματος. Η εξωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη και το κυτταρικό τοίχωμα των βακτηρίων περιέχουν επίσης παρόμοιες δομές. Οι ουσίες ρέουν μάλλον ελεύθερα μέσα και έξω από τις εξωτερικές μεμβράνες των μιτοχονδρίων και τα εξωτερικά κυτταρικά τοιχώματα των βακτηρίων. Ωστόσο, τόσο οι μιτοχονδριακές εσωτερικές μεμβράνες όσο και οι μεμβράνες πλάσματος των βακτηρίων περιορίζουν τη διέλευση πολλών ουσιών.

Τόσο τα προκαρυωτικά όσο και τα ευκαρυωτικά κύτταρα χρησιμοποιούν DNA για να φέρουν τον κώδικα για την παραγωγή πρωτεϊνών. Ενώ τα ευκαρυωτικά κύτταρα φέρουν δίκλωνο DNA με τη μορφή μιας στριμμένης σκάλας που ονομάζεται έλικα, τα βακτηριακά κύτταρα έχουν το DNA τους σε κυκλικούς βρόχους που ονομάζονται πλασμίδια. Τα μιτοχόνδρια φέρουν επίσης το δικό τους DNA για να φτιάξουν τις δικές τους πρωτεΐνες, ανεξάρτητα από το υπόλοιπο κύτταρο. Όπως τα βακτήρια, τα μιτοχόνδρια ενσωματώνουν επίσης το DNA τους σε βρόχους. Ένα μέσο μιτοχόνδριο περιέχει μεταξύ δύο και 10 από αυτά τα πλασμίδια. Αυτές οι δομές περιέχουν τις απαραίτητες πληροφορίες για την εκτέλεση όλων των διαδικασιών, συμπεριλαμβανομένης της αναπαραγωγής, στα μιτοχόνδρια ή τα βακτήρια.

Οι πρωτεΐνες εκτελούν όλες τις λειτουργίες εντός των κυττάρων, και η παραγωγή πρωτεϊνών, ή σύνθεση πρωτεϊνών, αποτελεί μία από τις κύριες λειτουργίες του κυττάρου. Όλη η σύνθεση πρωτεϊνών συμβαίνει αποκλειστικά σε σφαιρικές δομές που ονομάζονται ριβοσώματα, οι οποίες είναι διάσπαρτες σε όλο το κύτταρο. Τα μιτοχόνδρια μεταφέρουν τα δικά τους ριβοσώματα για να φτιάξουν τις πρωτεΐνες που χρειάζονται. Μικροσκοπικές και χημικές αναλύσεις αποκαλύπτουν ότι η δομή των μιτοχονδριακών ριβοσωμάτων φαίνεται πιο παρόμοια με τα βακτηριακά ριβοσώματα παρά με τα ριβοσώματα των ευκαρυωτικών κυττάρων. Επιπλέον, ορισμένα αντιβιοτικά, αν και αβλαβή στα ευκαρυωτικά κύτταρα, επηρεάζουν τη σύνθεση πρωτεϊνών τόσο στα μιτοχόνδρια όσο και στα βακτήρια, υποδεικνύοντας ότι ο μηχανισμός της πρωτεϊνικής σύνθεσης στα μιτοχόνδρια είναι παρόμοιος με αυτόν των βακτηρίων παρά ευκαρυωτικά κύτταρα.