Welke functies delen mitochondriën en bacteriën?

Ongeveer 1,5 miljard jaar geleden namen primitieve bacteriën hun intrek in grotere cellen, wat resulteerde in een intieme relatie die de evolutie van complexere, meercellige wezens zou vormen. De grotere cel was eukaryotisch, wat betekent dat het organellen bevatte - structuren omgeven door membranen, maar de prokaryotische bacteriële cel had zo'n rangschikking niet. De grotere cellen waren bang voor zuurstof, een vergif voor hun bestaan, maar de kleinere cellen gebruikten de zuurstof om energie te maken in de vorm van het molecuul adenosinetrifosfaat, of ATP. De eukaryote cel omhulde de bacteriën op roofzuchtige wijze, maar op de een of andere manier verteerde het roofdier de prooi niet. Roofdier en prooi werden wederzijds afhankelijk. Voormalig bioloog van de Boston University, Lynn Margulis, citeerde dit endosymbiotische scenario in haar theorie van de oorsprong van mitochondriën, de energiefabrieken van cellen, en de reden voor hun talrijke overeenkomsten met bacteriële cellen.

Alleen al op basis van uiterlijk kunnen wetenschappers een verband leggen tussen mitochondriën en bacteriën. Mitochondriën hebben dikke, jellybean-achtige vormen, vergelijkbaar met de staafvormige bacillenbacteriën. De gemiddelde bacil varieert tussen 1 en 10 micron lang, en de mitochondriën van zowel plantaardige als dierlijke cellen meten in hetzelfde bereik. Deze oppervlakkige waarnemingen vormen één bewijslijn die de theorie ondersteunt dat primitieve eukaryote cellen bacteriële cellen hadden opgeslokt en wederzijds voordelige relaties vormden.

Bacteriën reproduceren in een proces dat splijting wordt genoemd; wanneer een bacterie een vooraf bepaalde grootte bereikt, knijpt hij zichzelf in het midden, waardoor twee organismen ontstaan. In eukaryote cellen repliceren mitochondriën zichzelf in een soortgelijk proces. Het commandocentrum of de kern van de cel signaleert de cel om organellen te produceren, meestal voorafgaand aan een celdelingsgebeurtenis; echter, alleen mitochondriën - en de chloroplasten van planten - repliceren zichzelf. Terwijl andere organellen kunnen worden gemaakt van stoffen in de cel, moeten mitochondriën en chloroplasten zich delen om hun aantal te vergroten. Wanneer de energievoorziening in de vorm van ATP uitgeput raakt, delen mitochondriën zich om meer mitochondriën te maken voor energieproductie.

Mitochondriën hebben binnen- en buitenmembranen, waarbij het binnenmembraan bestaat uit plooien die cristae worden genoemd. Bacteriële celmembranen hebben plooien die mesosomen worden genoemd en die op de cristae lijken. Bij deze plooien vindt energieproductie plaats. Het binnenste mitochondriale membraan bevat dezelfde soorten eiwitten en vetstoffen als het bacteriële plasmamembraan. Het buitenste mitochondriale membraan en de celwand van bacteriën bevatten ook vergelijkbare structuren. Stoffen stromen vrij vrij in en uit de buitenste membranen van mitochondriën en de buitenste celwanden van bacteriën; zowel de mitochondriale binnenmembranen als de plasmamembranen van bacteriën beperken echter de doorgang van veel stoffen.

Zowel prokaryotische als eukaryote cellen gebruiken DNA om de code te dragen om eiwitten te maken. Terwijl eukaryote cellen dubbelstrengs DNA dragen in de vorm van een gedraaide ladder die een helix wordt genoemd, hebben bacteriële cellen hun DNA in cirkelvormige lussen die plasmiden worden genoemd. Mitochondriën dragen ook hun eigen DNA om hun eigen eiwitten te maken, onafhankelijk van de rest van de cel; net als bacteriën nemen mitochondriën ook hun DNA op in lussen. Een gemiddeld mitochondrion bevat tussen de twee en 10 van deze plasmiden. Deze structuren bevatten de nodige informatie om alle processen, inclusief replicatie, in de mitochondriën of bacteriën uit te voeren.

Eiwitten vervullen alle functies in cellen en de productie van eiwitten, of eiwitsynthese, vormt een van de belangrijkste functies van de cel. Alle eiwitsynthese vindt uitsluitend plaats in bolvormige structuren die ribosomen worden genoemd en die door de cel zijn verspreid. Mitochondriën dragen hun eigen ribosomen om de eiwitten te maken die ze nodig hebben. Microscopische en chemische analyses onthullen dat de structuur van mitochondriale ribosomen meer lijkt op bacteriële ribosomen dan op ribosomen van eukaryote cellen. Bovendien beïnvloeden bepaalde antibiotica, hoewel ze onschadelijk zijn voor eukaryote cellen, de eiwitsynthese in zowel mitochondriën als bacteriën, wat aangeeft dat het mechanisme van eiwitsynthese in mitochondriën vergelijkbaar is met dat van bacteriën in plaats van eukaryotische cellen.