Quelles caractéristiques les mitochondries et les bactéries partagent-elles ?

Il y a environ 1,5 milliard d'années, des bactéries primitives ont élu domicile à l'intérieur de cellules plus grandes, créant une relation intime qui allait façonner l'évolution d'êtres multicellulaires plus complexes. La plus grande cellule était eucaryote, ce qui signifie qu'elle contenait des organites - des structures entourées de membranes, mais la cellule bactérienne procaryote n'avait pas un tel arrangement. Les plus grosses cellules craignaient l'oxygène, un poison pour leur existence, mais les plus petites cellules utilisaient l'oxygène pour produire de l'énergie sous la forme de la molécule d'adénosine triphosphate, ou ATP. La cellule eucaryote a enveloppé la bactérie de manière prédatrice, mais d'une manière ou d'une autre, le prédateur n'a pas digéré la proie. Prédateur et proie sont devenus mutuellement dépendants. L'ancienne biologiste de l'Université de Boston, Lynn Margulis, a cité ce scénario endosymbiotique dans sa théorie de l'origine des mitochondries, les usines énergétiques des cellules, et la raison de leurs nombreuses similitudes avec les bactéries cellules.

En se basant uniquement sur l'apparence, les scientifiques peuvent établir une relation entre les mitochondries et les bactéries. Les mitochondries ont des formes dodues ressemblant à des bonbons, semblables aux bactéries bacilles en forme de bâtonnet. Le bacille moyen mesure entre 1 et 10 microns de longueur, et les mitochondries des cellules végétales et animales mesurent dans la même plage. Ces observations superficielles constituent une ligne de preuves soutenant la théorie selon laquelle les cellules eucaryotes primitives avaient englouti des cellules bactériennes, formant des relations mutuellement bénéfiques.

Les bactéries se reproduisent dans un processus appelé fission; lorsqu'une bactérie atteint une taille prédéterminée, elle se pince au milieu, créant deux organismes. Dans les cellules eucaryotes, les mitochondries se répliquent selon un processus similaire. Le centre de commande de la cellule, ou noyau, signale à la cellule de produire des organites, généralement avant un événement de division cellulaire; cependant, seules les mitochondries - et les chloroplastes des plantes - se répliquent. Alors que d'autres organites peuvent être fabriqués à partir de substances présentes dans la cellule, les mitochondries et les chloroplastes doivent se diviser pour augmenter leur nombre. Lorsque l'approvisionnement en énergie sous forme d'ATP s'épuise, les mitochondries se divisent pour créer plus de mitochondries pour la production d'énergie.

Les mitochondries possèdent des membranes interne et externe, la membrane interne étant constituée de plis appelés crêtes. Les membranes cellulaires bactériennes ont des plis appelés mésosomes qui ressemblent aux crêtes. La production d'énergie a lieu à ces plis. La membrane mitochondriale interne contient les mêmes types de protéines et de corps gras que la membrane plasmique bactérienne. La membrane mitochondriale externe et la paroi cellulaire des bactéries contiennent également des structures similaires. Les substances entrent et sortent assez librement des membranes externes des mitochondries et des parois cellulaires externes des bactéries; cependant, les membranes internes mitochondriales et les membranes plasmiques des bactéries restreignent le passage de nombreuses substances.

Les cellules procaryotes et eucaryotes utilisent l'ADN pour transporter le code permettant de fabriquer des protéines. Alors que les cellules eucaryotes portent un ADN double brin sous la forme d'une échelle torsadée appelée hélice, les cellules bactériennes ont leur ADN dans des boucles circulaires appelées plasmides. Les mitochondries portent également leur propre ADN pour fabriquer leurs propres protéines, indépendamment du reste de la cellule; comme les bactéries, les mitochondries incorporent également leur ADN dans des boucles. Une mitochondrie moyenne contient entre 2 et 10 de ces plasmides. Ces structures contiennent les informations nécessaires pour exécuter tous les processus, y compris la réplication, au sein des mitochondries ou des bactéries.

Les protéines remplissent toutes les fonctions au sein des cellules, et la fabrication des protéines, ou synthèse des protéines, constitue l'une des fonctions majeures de la cellule. Toute la synthèse des protéines se produit uniquement dans des structures sphériques appelées ribosomes, qui sont dispersées dans toute la cellule. Les mitochondries portent leurs propres ribosomes pour fabriquer les protéines dont elles ont besoin. Des analyses microscopiques et chimiques révèlent que la structure des ribosomes mitochondriaux semble plus proche des ribosomes bactériens que des ribosomes des cellules eucaryotes. De plus, certains antibiotiques, bien qu'inoffensifs pour les cellules eucaryotes, affectent la synthèse des protéines à la fois dans les mitochondries et bactéries, indiquant que le mécanisme de synthèse des protéines dans les mitochondries est similaire à celui des bactéries plutôt que des cellules eucaryotes.