Около четырех миллиардов лет назад на Земле появились первые формы жизни, и это были самые ранние бактерии. Эти бактерии эволюционировали с течением времени и в конечном итоге распространились на многие формы жизни, которые наблюдаются сегодня. Бактерии принадлежат к группе организмов, называемых прокариотами, - одноклеточным организмам, не имеющим внутренних структур, связанных с мембранами. Другой класс организмов - это эукариоты, у которых есть мембраносвязанные ядра и другие структуры. Митохондрии, которые обеспечивают клетку энергией, являются одной из этих мембраносвязанных структур, называемых органеллами. Хлоропласты - это органеллы в клетках растений, которые могут производить пищу. Эти две органеллы имеют много общего с бактериями и, возможно, произошли непосредственно от них.
Раздельные геномы
Бактерии несут свою ДНК, молекулу, содержащую гены, в кольцевых компонентах, называемых плазмидами. Митохондрии и хлоропласты имеют собственную ДНК, содержащуюся в плазмидоподобных структурах. Кроме того, ДНК митохондрий и хлоропластов, как и ДНК бактерий, не прикрепляется к защитным структурам, называемым гистонами, которые связывают ДНК. Эти органеллы создают свою собственную ДНК и синтезируют собственные белки независимо от остальной части клетки.
Синтез белка
Бактерии образуют белки в структурах, называемых рибосомами. Процесс производства белка начинается с той же аминокислоты, одной из 20 субъединиц, составляющих белки. Эта исходная аминокислота является N-формилметионином в бактериях, а также в митохондриях и хлоропластах. N-формилметионин представляет собой другую форму аминокислоты метионина; Белки, образующиеся в остальных рибосомах клетки, имеют другой стартовый сигнал - простой метионин. Кроме того, рибосомы хлоропластов очень похожи на бактериальные рибосомы и отличаются от рибосом клетки.
Репликация
Митохондрии и хлоропласты создают больше самих себя примерно так же, как бактерии размножаются. Если митохондрии и хлоропласты удаляются из клетки, клетка не может производить больше этих органелл, чтобы заменить те, которые были удалены. Единственный способ репликации этих органелл - это тот же метод, который используют бактерии: бинарное деление. Подобно бактериям, митохондрии и хлоропласты увеличиваются в размерах, дублируют свою ДНК и другие структуры, а затем делятся на две идентичные органеллы.
Чувствительность к антибиотикам
Похоже, что функция митохондрий и хлоропластов нарушена действием тех же антибиотиков, которые вызывают проблемы для бактерий. Антибиотики, такие как стрептомицин, хлорамфеникол и неомицин, убивают бактерии, но они также вызывают повреждение митохондрий и хлоропластов. Например, хлорамфеникол действует на рибосомы, структуры в клетках, которые являются участками производства белка. Антибиотик специфически действует на бактериальные рибосомы; к сожалению, это также влияет на рибосомы в митохондриях, заключает исследование 2012 доктора Элисон Э. Барнхиллом и его коллегами из Колледжа ветеринарной медицины Университета штата Айова и опубликованы в журнале «Противомикробные агенты и химиотерапия».
Эндосимбиотическая теория
Из-за поразительного сходства между хлоропластами, митохондриями и бактериями ученые начали изучать их отношения друг с другом. Биолог Линн Маргулис разработала эндосимбиотическую теорию в 1967 году, объяснив происхождение митохондрий и хлоропластов в эукариотических клетках. Доктор Маргулис предположил, что митохондрии и хлоропласты возникли в прокариотическом мире. Митохондрии и хлоропласты на самом деле сами были прокариотами, простыми бактериями, которые вступали в отношения с клетками-хозяевами. Эти клетки-хозяева были прокариотами, которые не могли жить в богатой кислородом среде и поглотили эти митохондриальные предшественники. Эти организмы-хозяева давали пищу своим обитателям в обмен на возможность выжить в ядовитой кислородсодержащей среде. Хлоропласты из растительных клеток могли происходить от организмов, похожих на цианобактерии. Предшественник хлоропластов стал жить в симбиозе с растительными клетками, потому что эти бактерии обеспечивают своих хозяев пищей в виде глюкозы, в то время как клетки-хозяева предлагают безопасное место для жить.