Quali caratteristiche condividono i mitocondri e i batteri?

Circa 1,5 miliardi di anni fa, i batteri primitivi si stabilirono all'interno di cellule più grandi, dando vita a una relazione intima che avrebbe plasmato l'evoluzione di esseri più complessi e multicellulari. La cellula più grande era eucariotica, il che significa che conteneva organelli, strutture circondate da membrane, ma la cellula batterica procariotica non aveva tale disposizione. Le cellule più grandi temevano l'ossigeno, un veleno per la loro esistenza, ma le cellule più piccole usavano l'ossigeno per produrre energia sotto forma della molecola adenosina trifosfato o ATP. La cellula eucariotica ha avvolto i batteri in modo predatorio, ma in qualche modo il predatore non ha digerito la preda. Predatore e preda divennero reciprocamente dipendenti. L'ex biologa della Boston University Lynn Margulis ha citato questo scenario endosimbiotico nella sua teoria dell'origine dei mitocondri, le fabbriche energetiche delle cellule e la ragione delle loro numerose somiglianze con i batteri cellule.

Basandosi solo sull'aspetto, gli scienziati possono tracciare una relazione tra mitocondri e batteri. I mitocondri hanno forme carnose, simili a gelatine, simili ai batteri bacilli a forma di bastoncino. Il bacillo medio varia tra 1 e 10 micron di lunghezza e i mitocondri delle cellule vegetali e animali misurano nello stesso intervallo. Queste osservazioni superficiali costituiscono una linea di prove a sostegno della teoria secondo cui le cellule eucariotiche primitive avevano inghiottito cellule batteriche, formando relazioni reciprocamente vantaggiose.

I batteri si riproducono in un processo chiamato fissione; quando un batterio raggiunge una dimensione predeterminata, si pizzica nel mezzo, creando due organismi. Nelle cellule eucariotiche, i mitocondri si replicano in un processo simile. Il centro di comando della cellula, o nucleo, segnala alla cellula di produrre organelli, di solito prima di un evento di divisione cellulare; tuttavia, solo i mitocondri - e i cloroplasti delle piante - si replicano. Mentre altri organelli possono essere costituiti da sostanze all'interno della cellula, i mitocondri e i cloroplasti devono dividersi per aumentare il loro numero. Quando l'approvvigionamento energetico sotto forma di ATP si esaurisce, i mitocondri si dividono per creare più mitocondri per la produzione di energia.

I mitocondri possiedono membrane interne ed esterne, con la membrana interna costituita da pieghe chiamate creste. Le membrane delle cellule batteriche hanno pieghe chiamate mesosomi che ricordano le creste. La produzione di energia avviene in queste pieghe. La membrana mitocondriale interna contiene gli stessi tipi di proteine ​​e sostanze grasse della membrana plasmatica batterica. Anche la membrana mitocondriale esterna e la parete cellulare dei batteri contengono strutture simili. Le sostanze fluiscono piuttosto liberamente dentro e fuori le membrane esterne dei mitocondri e le pareti cellulari esterne dei batteri; tuttavia, sia le membrane interne mitocondriali che le membrane plasmatiche dei batteri limitano il passaggio di molte sostanze.

Sia le cellule procariotiche che quelle eucariotiche utilizzano il DNA per trasportare il codice per produrre proteine. Mentre le cellule eucariotiche trasportano DNA a doppio filamento sotto forma di una scala attorcigliata chiamata elica, le cellule batteriche hanno il loro DNA in anelli circolari chiamati plasmidi. I mitocondri trasportano anche il proprio DNA per produrre le proprie proteine, indipendenti dal resto della cellula; come i batteri, anche i mitocondri incorporano il loro DNA in anelli. Un mitocondrio medio contiene da due a 10 di questi plasmidi. Queste strutture contengono le informazioni necessarie per eseguire tutti i processi, inclusa la replicazione, all'interno dei mitocondri o dei batteri.

Le proteine ​​svolgono tutte le funzioni all'interno delle cellule e la produzione di proteine, o sintesi proteica, costituisce una delle principali funzioni della cellula. Tutta la sintesi proteica avviene esclusivamente all'interno di strutture sferiche chiamate ribosomi, che sono sparse in tutta la cellula. I mitocondri trasportano i propri ribosomi per produrre le proteine ​​di cui hanno bisogno. Analisi microscopiche e chimiche rivelano che la struttura dei ribosomi mitocondriali appare più simile ai ribosomi batterici che ai ribosomi delle cellule eucariotiche. Inoltre, alcuni antibiotici, sebbene innocui per le cellule eucariotiche, influenzano la sintesi proteica sia nei mitocondri che nei batteri, indicando che il meccanismo della sintesi proteica nei mitocondri è simile a quello dei batteri piuttosto che cellule eucariotiche.