Przeczytaj
Mitochondria i chloroplasty – organelle półautonomiczne
MitochondriaMitochondria i chloroplastychloroplasty to duże, dobrze widoczne w mikroskopie świetlnym organelle komórkowe obecne w komórkach organizmów eukariotycznych. Mitochondria występują w komórkach roślin, zwierząt i grzybów oddychających tlenowo, natomiast chloroplasty – w samożywnych, fotosyntetyzujących komórkach roślin i protistów roślinopodobnych. Obie organelle mają wiele cech wspólnych, które dotyczą nie tylko budowy, ale również procesów zachodzących w ich wnętrzu.
Zarówno mitochondria, jak i chloroplasty otoczone są podwójną błoną białkowo‑lipidową o różnej przepuszczalności: błona zewnętrzna jest gładka, a wewnętrzna tworzy pofałdowania i ogranicza wewnętrzną przestrzeń, wypełnioną koloidem o konsystencji żelu. Organelle te zawierają rybosomy 70S, na których odbywa się synteza polipeptydów mitochondrialnych i chloroplastowych. Mają także własny pozajądrowy materiał genetyczny, w postaci kolistej, nagiej (nieosłoniętej żadną błoną), dwuniciowej cząsteczki kwasu deoksyrybonukleinowego (DNADNA).
Obecność rybosomów i materiału genetycznego umożliwia prowadzenie w mitochondriach i chloroplastach procesów, dzięki którym organelle te są zdolne do częściowo samodzielnego funkcjonowania. Nie jest to jednak całkowita autonomia. Wprawdzie namnażają się one niezależnie od podziałów komórki, w której się znajdują, a ich materiał genetyczny ulega replikacji, ale do przebiegu tych i innych procesów potrzebują białek strukturalnych i enzymatycznych. Mitochondria i chloroplasty wytwarzają tylko 10% własnych białek; resztę – powstałą na matrycy DNADNA jądrowego – importują z cytoplazmy.
We wnętrzu mitochondriów i chloroplastów zachodzą też podobne procesy: replikacji (powielania) DNA oraz syntezy ATPATP, który stanowi magazyn energii biologicznie użytecznej.
Mitochondria są miejscem, w którym zachodzi tlenowe oddychanie komórkowe. W procesie tym związek organiczny ulega w obecności tlenu rozłożeniu do dwutlenku węgla i wody. Stopniowo uwalniana w tej reakcji energia jest wykorzystywana do syntezy ATP.
W chloroplastach zachodzi proces fotosyntezy, podczas którego z dwutlenku węgla i wody, przy udziale energii światła słonecznego, powstają związki organiczne, a jako produkt uboczny wydziela się tlen. Synteza związków organicznych w chloroplastach jest poprzedzona syntezą ATP.
Cechy odróżniające mitochondria od chloroplastów | Mitochondria | Chloroplasty |
---|---|---|
Występowanie | we wszystkich komórkach eukariotycznych oddychających tlenowo | w samożywnych fotosyntetyzujących komórkach roślin i protistów roślinopodobnych |
Kształt | fasoli | dysku |
Funkcja | biorą udział w oddychaniu komórkowym – przekształcają energię wiązań chemicznych związków organicznych w energię wiązań ATP | biorą udział w fotosyntezie – przekształcają energię słoneczną w energię wiązań chemicznych związków organicznych |
Tlen | zużywają | uwalniają |
Dwutlenek węgla | uwalniają | zużywają |
Mitochondria i chloroplasty wykazują wiele cech wspólnych z komórkami prokariotycznymiprokariotycznymi. Faktycznie funkcjonują one podobnie do samodzielnych, wolno żyjących komórek bakteryjnych: przemieszczają się, zmieniają kształt, dzielą się lub ulegają fuzji. Zbliżone do prokariotów są także rozmiarem. Tak jak one otoczone są błoną białkowo‑lipidową. Wewnętrzna błona mitochondriów i chloroplastów tworzy pofałdowania, a strukturą i składem chemicznym przypomina błonę komórek bakteryjnych. W obu organellach występują zbliżone do prokariotycznych rybosomy 70S (mitochondrialne rybosomy ssaków mają wielkość 55S). Z kolei materiał genetyczny stanowi zamknięta koliście, niczym nieosłonięta cząsteczka DNA, która nie zawiera odcinków niekodujących (intronów) i nie wiąże się z białkami histonowymi. W obu organellach zachodzi synteza białek. Podobny jest także sposób namnażania przez podział: mitochondria i chloroplasty nigdy nie powstają de novo, a jedynie z wcześniej istniejących organelli.
Endosymbioza
Podobieństwo mitochondriów i chloroplastów do komórek prokariotycznych jest jednym z dowodów na teorię endosymbiozyendosymbiozy, która wyjaśnia powstanie i ewolucję komórek eukariotycznych.
Teoria endosymbiozy zakłada, że mitochondria i chloroplasty były odrębnymi, samodzielnie żyjącymi organizmami. Około 1,5 mld lat temu proteobakterieproteobakterie, które miały zdolność wytwarzania energii w reakcjach oddychania tlenowego, zostały pochłonięte na drodze fagocytozyfagocytozy przez cudzożywną komórkę praeukariotyczną. Podobny los spotkał zdolne do fotosyntezy cyjanobakteriecyjanobakterie. Pochłonięte organizmy nie uległy jednak strawieniu, a żyły w komórce gospodarza i razem z nim się namnażały. Tak wykształcił się układ oparty na symbiozie.
Dzięki symbiozie z potomkami proteobakterii gospodarz mógł żyć w warunkach tlenowych i korzystać z energii uwalnianej w procesie oddychania tlenowego. Z kolei endosymbionty pochodzące od fotosyntetyzujących cyjanobakterii pozwalały mu korzystać z energii światła słonecznego do pozyskiwania pożywienia. W zamian endosymbionty miały zapewnione stabilne warunki środowiska oraz ochronę przed czynnikami zewnętrznymi.
Z czasem pochłonięte organizmy zostały zasymilowane i utraciły zdolność do samodzielnego życia. Wiele ich genów zanikło, a część została przeniesiona do jądra gospodarza (w chloroplastach z 3 tys. genów pozostało tylko ok. 130). W ten sposób oddychające tlenowo i fotosyntetyzujące organizmy prokariotyczne zostały przekształcone w półautonomiczne organelle komórkowe: mitochondria i chloroplasty.
Naukowcy uważają, że endosymbiozaendosymbioza miała charakter seryjny. Jako pierwsze powstały mitochondria – przemawia za tym powszechność ich występowania w komórkach eukariotycznych. Chloroplasty wykształciły się później.
Pierwotna endosymbioza
Wtórna endosymbioza
Zjawisko endosymbiozyendosymbiozy występuje również współcześnie. Jednokomórkowa Hatena arenicola to wiciowiec bytujący na japońskich plażach. Żyje ona w symbiozie z jednokomórkowym protistem Nephroselmis, który nadaje jej zielone zabarwienie. Endosymbiont wykazuje inne cechy niż forma wolno żyjąca. Cześć jego organelli zanika (jądro komórkowe zostaje), plastydyplastydy się powiększają i funkcjonuje on jako receptor światła w fototaksjach Hatena arenicola.
Słownik
adenozynotrifosforan – organiczny związek chemiczny uwalniający energię w czasie hydrolizy wysokoenergetycznych wiązań między resztami fosforanowymi; stanowi formę energii użytecznej biologicznie
organelle obecna w fotosyntetyzujących komórkach roślin i protistów roślinopodobnych; w jej wnętrzu zachodzi fotosynteza, czyli synteza związków organicznych z COIndeks dolny 22 i HIndeks dolny 22O przy udziale energii światła słonecznego
sinice (Cyanophyta, Cyanobacteria) – gromada organizmów samożywnych zaliczanych do prokariotów
kwas deoksyrybonukleinowy – związek chemiczny zbudowany z nukleotydów, zdolny do replikacji, będący nośnikiem informacji genetycznej
pobieranie cząsteczek pokarmowych do wnętrza komórki przez tworzenie pęcherzyków z błony komórkowej
proces, w którym organizm jednokomórkowy (endosymbiont) zostaje pochłonięty przez inny organizm jednokomórkowy (gospodarza) i żyje z nim na zasadzie obustronnych korzyści, a następnie w procesie ewolucji może stać się jego organellą
organizmy, których komórki zawierają jądro komórkowe
typ endocytozy, w której komórka pobiera duże cząstki pokarmowe
organelle w komórce eukariotycznej; zachodzi w niej proces tlenowego oddychania komórkowego
organella komórkowa przypominająca jądro komórkowe występujące w chloroplastach niektórych protistów
organelle otoczone podwójną błoną białkowo‑lipidową, zawierające własne DNA i rybosomy, mające zdolność do samoreplikacji; przykładem plastydów są chloroplasty
organizmy pozbawione jądra komórkowego oraz organelli błoniastych; należą do nich archeony i bakterie
grupa bakterii Gram‑ujemnych mających dodatkową zewnętrzną błonę komórkową