Organelle półautonomiczne
Teoria endosymbiozy
Wykażesz, że mitochondria i chloroplasty to organelle półautonomiczne.
Omówisz sposób w jaki powstały mitochondriów i chloroplastów.
Wymienisz dowody na endosymbiotyczne pochodzenie mitochondriów i chloroplastów.
Półautonomiczne organelle namnażają się niezależnie od podziałów komórki, jednak zgodnie z jej potrzebami. Choć zawierają rybosomy i materiał genetyczny, nie są w pełni samodzielne – wytwarzają własne białka, lecz jednocześnie są zależne od jądra komórkowego.
Mitochondria i chloroplasty – organelle półautonomiczne
Mitochondria i chloroplasty wykazują wiele podobieństw w budowie. Obie te organelle 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 DNA.
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 wielu innych procesów potrzebują białek strukturalnych i enzymatycznych kodowanych przez genom jądrowy. Mitochondria i chloroplasty wytwarzają tylko 10% własnych białek; resztę – powstałą na matrycy DNA jądrowego – importują z cytoplazmy.
Przeanalizuj poniższą grafikę interaktywną, a następnie wyjaśnij na czym polega półautonomia mitochondriów.
We wnętrzu mitochondriów i chloroplastów zachodzą też podobne procesy: replikacji (powielania) DNA oraz syntezy ATPATP.
Mitochondria i chloroplasty - podobieństwo do komórek bakteryjnych
Mitochondria i chloroplasty wykazują wiele cech wspólnych z komórkami bakteryjnymi. Należą do nich:
rozmiar i kształt,
struktura i skład chemiczny błony wewnętrznej, które są podobne do błony komórkowej bakterii,
rybosomy typu 70S,
obecność własnego DNA, który jest kolisty, niezwiązany z białkami i nieobłoniony (leży bezpośrednio w cytoplazmie),
zdolność do podziału.
Endosymbioza
Podobieństwo mitochondriów i chloroplastów do komórek bakteryjnych jest jednym z dowodów na teorię endosymbiozyendosymbiozy, która wyjaśnia powstanie i ewolucję komórek eukariotycznych.
Teoria endosymbiozy zakłada, że mitochondria i chloroplasty były kiedyś odrębnymi, samodzielnie żyjącymi komórkami. Przodkiem mitochondrium była proteobakteriaproteobakteria, która miała zdolność do oddychania tlenowegooddychania tlenowego, natomiast przodkiem chloroplastów – zdolna do fotosyntezy cyjanobakteria. Zgodnie z teorią endosymbiozy, komórki te zostały pochłonięte na drodze fagocytozyfagocytozy przez cudzożywną komórkę pra‑eukariotyczną, jednak nie uległy strawieniu, a żyły w komórce gospodarza i razem z nim się namnażały. Tak wykształcił się układ oparty na symbiozie wewnątrz organizmu gospodarza, który nazywany jest endosymbiozą.
Dzięki symbiozie z potomkami proteobakterii gospodarz mógł żyć w warunkach tlenowych i korzystać z energii uwalnianej w procesie oddychania tlenowego. Z kolei symbionty pochodzące od fotosyntetyzujących cyjanobakterii pozwalały mu korzystać z energii światła słonecznego do pozyskiwania pożywienia. W zamian symbionty miały zapewnione stabilne warunki środowiska oraz ochronę przed czynnikami zewnętrznymi.
Z czasem pochłonięte organizmy utraciły zdolność do samodzielnego życia. Wiele ich genów zanikło, a część została przeniesiona do jądra gospodarza (np. 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 endosymbioza miała charakter seryjny. Jako pierwsze powstały mitochondria – przemawia za tym powszechność ich występowania w komórkach eukariotycznych. Chloroplasty wykształciły się później.
Zjawisko endosymbiozy 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), plastydy się powiększają i funkcjonuje on jako receptor światła w fototaksjach Hatena arenicola.
Podsumowanie
Mitochondria i chloroplasty wykazują szereg podobieństw do żyjących współcześnie bakterii:
Podobna wielkość – zarówno mitochondria, jak i chloroplasty mają rozmiary zbliżone do bakterii.
Obecność błony, która ma podobną strukturę do błony bakteryjnej.
Kolista cząsteczka DNA, bez histonów, podobne do bakteryjnego, niezależne od jądra komórkowego.
Rybosomy 70S – mitochondrialne i chloroplastowe rybosomy są bardziej podobne do bakteryjnych niż do eukariotycznych (80S).
Teoria endosymbiozy zakłada, że mitochondria i chloroplasty są potomkami bakterii, które na wczesnych etapach ewolucji zostały pochłonięte przez komórkę pra‑eukariotyczną.
Ćwiczenia utrwalające
Wróć do polecenia na stronie „Na dobry początek” i dopisz brakujące definicje. Pamiętaj, żeby nie kopiować słownika, ale wyjaśnić każde słowo kluczowe w miarę możliwości swoimi słowami.