23.1D: Еволюція мітохондрій

Last updated
Save as PDF

Page ID: 4581

Boundless
Boundless

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Мітохондрії - це енергогенеруючі органели, які, як вважають, колись були типом вільно живуть альфа-протеобактерій.

Цілі навчання

Поясніть зв'язок між ендосимбіозом та мітохондріями до еволюції еукаріотів

Ключові моменти

Еукаріотичні клітини містять різну кількість мітохондрій, залежно від енергетичних потреб клітин.
Мітохондрії мають багато особливостей, які свідчать про те, що вони були раніше незалежними організмами, включаючи власну ДНК, клітинно-незалежний поділ та фізичні характеристики, подібні до альфа-протеобактерій.
Деякі мітохондріальні гени з часом переносяться в ядерний геном, проте мітохондрії зберігали якийсь генетичний матеріал з причин, не до кінця вивчених.
Гіпотезований перенесення генів з мітохондрій до ядра клітини-господаря, ймовірно, пояснює, чому мітохондрії не здатні вижити поза клітиною-господарем.

Ключові умови

crista: cristae (сингулярна криста) - це внутрішні відсіки, утворені внутрішньою мембраною мітохондріона
вакуоль: велике, пов'язане з мембранами, заповнене рідиною відділення в цитоплазмі клітини
ендосимбіоз: коли один симбіотичний вид береться всередину цитоплазми іншого симбіотичного виду і обидва стають ендосимбіотичними

Зв'язок між ендосимбіозом і мітохондріями

Однією з головних ознак, що відрізняють прокаріотів від еукаріотів, є наявність мітохондрій. Еукаріотичні клітини містять від однієї до декількох тисяч мітохондрій, в залежності від рівня споживання енергії клітиною. Кожен мітохондріон вимірює довжину від 1 до 10 мкм і існує в клітині як органела, яка може бути яйцеподібною до черв'ячної форми або хитромудро розгалуженою. Мітохондрії виникають внаслідок поділу існуючих мітохондрій. Вони можуть зливатися разом. Вони переміщаються всередині клітини шляхом взаємодії з цитоскелетом. Однак мітохондрії не можуть вижити поза клітиною. Оскільки кількість кисню збільшилася в атмосфері мільярди років тому і в міру розвитку успішних аеробних прокаріотів, дані свідчать про те, що родова клітина з деякою мембранною компартменталізацією охопила вільноживучий аеробний прокаріот, зокрема альфа-протеобактерію, тим самим даючи клітину-господаря можливість використовувати кисень для вивільнення енергії, що зберігається в поживних речовині. Альфа-протеобактерії - це велика група бактерій, яка включає в себе види, симбіотичні з рослинами, хвороботворні організми, які можуть заразити людину за допомогою кліщів, і багато вільно живуть види, які використовують світло для отримання енергії. Кілька ліній доказів підтверджують виведення мітохондрій з цієї ендосимбіотичної події. Більшість мітохондрій мають форму альфа-протеобактерій і оточені двома мембранами, що призведе до того, коли один організм, пов'язаний з мембраною, охоплює інший у вакуоль. Внутрішня мембрана мітохондрій включає значні склади, звані кристами, які нагадують текстуровану зовнішню поверхню альфа-протеобактерій. Матрикс і внутрішня мембрана багаті ферментами, необхідними для аеробного дихання.

зображення — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Мікрофотографія мітохондрій ссавців: На цій просвічувальній електронній мікрофотографії мітохондрій в клітині легенів ссавців кристи, складки внутрішньої мембрани мітохондрій, можна побачити в поперечному перерізі.

Мітохондрії діляться самостійно процесом, який нагадує бінарне ділення у прокаріотів. Зокрема, мітохондрії не утворюються de novo еукаріотичною клітиною; вони розмножуються всередині клітини і розподіляються між двома клітинами, коли клітини діляться. Тому, хоча ці органели високо інтегровані в еукаріотичну клітину, вони все ще розмножуються так, ніби є незалежними організмами всередині клітини. Однак їх розмноження синхронізується з активністю і поділом клітини. Мітохондрії мають власну кругову ДНК хромосому, яка стабілізується прикріпленнями до внутрішньої мембрани і несе гени, схожі на гени, експресовані альфа-протеобактеріями. Мітохондрії також мають особливі рибосоми і переносять РНК, які нагадують ці компоненти у прокаріотів. Всі ці особливості підтримують те, що мітохондрії колись були вільноживучими прокаріотами.

Мітохондріальні гени

Мітохондрії, які здійснюють аеробне дихання, мають власні геноми, з генами, подібними до генів у альфа-протеобактерій. Однак багато генів для дихальних білків розташовані в ядрі. Коли ці гени порівнюються з генами інших організмів, вони, здається, мають альфа-протеобактеріальне походження. Додатково в деяких еукаріотичних групах такі гени знаходяться в мітохондріях, тоді як в інших групах вони знаходяться в ядрі. Це було інтерпретовано як доказ того, що гени були перенесені з ендосимбіонтної хромосоми в геном господаря. Ця втрата генів ендосимбіонтом, ймовірно, є одним з пояснень, чому мітохондрії не можуть жити без господаря.

Незважаючи на перенесення генів між мітохондріями і ядром, мітохондрії зберігають значну частину власного незалежного генетичного матеріалу. Одне з можливих пояснень того, що мітохондрії зберігають контроль над деякими генами, полягає в тому, що може бути важко транспортувати гідрофобні білки через мембрану мітохондрій, а також забезпечити їх відправку в правильне місце, що говорить про те, що ці білки повинні вироблятися в мітохондріях. Ще одне можливе пояснення полягає в тому, що існують відмінності у використанні кодонів між ядром та мітохондріями, що ускладнює можливість повної передачі генів. Третє можливе пояснення полягає в тому, що мітохондріям потрібно виробляти власний генетичний матеріал, щоб забезпечити метаболічний контроль в еукаріотичних клітині, що вказує на те, що мтДНК безпосередньо впливає на дихальний ланцюг і процеси відновлення/окислення мітохондрій.