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Circa 1,5 miliardi di anni fa, i batteri primitivi si stabilirono all'interno di cellule più grandi, determinando una relazione intima che avrebbe modellato l'evoluzione di esseri più complessi e pluricellulari. La cellula più grande era eucariotica, nel senso che conteneva organelli - strutture circondate da membrane, ma la cellula batterica procariotica non aveva una tale disposizione. Le cellule più grandi temevano l'ossigeno, un veleno per la loro esistenza, ma le cellule più piccole usavano l'ossigeno per produrre energia sotto forma di molecola di adenosina trifosfato o ATP. La cellula eucariotica avvolgeva i batteri in modo predatore, ma in qualche modo il predatore non digeriva la preda. Predatore e preda divennero reciprocamente dipendenti. L'ex biologa della Boston University Lynn Margulis ha citato questo scenario endosimbiotico nella sua teoria dell'origine dei mitocondri, delle fabbriche energetiche delle cellule e della ragione delle loro numerose somiglianze con le cellule batteriche.
Dimensione e forma
Basandosi solo sull'aspetto, gli scienziati possono disegnare una relazione tra mitocondri e batteri. I mitocondri hanno forme grassottelle, simili a gelatine, simili ai batteri bacilli a forma di bastoncino. Il bacillo medio varia tra 1 e 10 micron di lunghezza e i mitocondri di cellule vegetali e animali misurano nello stesso intervallo. Queste osservazioni superficiali costituiscono una linea di prova a sostegno della teoria secondo cui le cellule eucariotiche primitive avessero inghiottito le cellule batteriche, formando relazioni reciprocamente vantaggiose.
Metodo di divisione
I batteri si riproducono in un processo chiamato fissione; quando un batterio raggiunge una dimensione predeterminata, si pizzica nel mezzo, creando due organismi. Nelle cellule eucariotiche, i mitocondri si replicano in un processo simile. Il centro di comando o il nucleo della cellula segnala alla cellula di produrre organelli, di solito prima di un evento di divisione cellulare; tuttavia, solo i mitocondri - e i cloroplasti delle piante - si replicano. Mentre altri organelli possono essere prodotti da sostanze all'interno della cellula, i mitocondri e i cloroplasti devono dividersi per aumentare il loro numero. Quando l'approvvigionamento energetico sotto forma di ATP si esaurisce, i mitocondri si dividono per produrre più mitocondri per la produzione di energia.
Membrana
I mitocondri possiedono membrane interne ed esterne, con la membrana interna costituita da pieghe chiamate criste. Le membrane delle cellule batteriche hanno pieghe chiamate mesosomi che assomigliano alle criste. La produzione di energia avviene in queste pieghe. La membrana mitocondriale interna contiene gli stessi tipi di proteine e sostanze grasse della membrana plasmatica batterica. Anche la membrana mitocondriale esterna e la parete cellulare dei batteri contengono strutture simili.Le sostanze fluiscono piuttosto liberamente dentro e fuori dalle membrane esterne dei mitocondri e dalle pareti cellulari esterne dei batteri; tuttavia, sia le membrane mitocondriali interne che le membrane plasmatiche dei batteri limitano il passaggio di molte sostanze.
Tipo di DNA
Entrambe le cellule procariotiche ed eucariotiche usano il DNA per trasportare il codice per produrre proteine. Mentre le cellule eucariotiche trasportano DNA a doppio filamento sotto forma di una scala a spirale chiamata un'elica, le cellule batteriche hanno il loro DNA in anelli circolari chiamati plasmidi. I mitocondri trasportano anche il proprio DNA per produrre le proprie proteine, indipendentemente dal resto della cellula; come i batteri, anche i mitocondri incorporano il loro DNA negli anelli. Un mitocondrio medio contiene tra due e 10 di questi plasmidi. Queste strutture contengono le informazioni necessarie per eseguire tutti i processi, inclusa la replicazione, all'interno dei mitocondri o dei batteri.
Ribosomi e sintesi proteica
Le proteine svolgono tutte le funzioni all'interno delle cellule e la produzione di proteine, o sintesi proteica, costituisce una delle principali funzioni della cellula. Tutta la sintesi proteica avviene esclusivamente all'interno di strutture sferiche chiamate ribosomi, che sono sparse in tutta la cellula. I mitocondri trasportano i loro ribosomi per produrre le proteine di cui hanno bisogno. Analisi microscopiche e chimiche rivelano che la struttura dei ribosomi mitocondriali appare più simile ai ribosomi batterici che ai ribosomi delle cellule eucariotiche. Inoltre, alcuni antibiotici, sebbene innocui per le cellule eucariotiche, influenzano la sintesi proteica sia nei mitocondri che nei batteri, indicando che il meccanismo di sintesi proteica nei mitocondri è simile a quello dei batteri piuttosto che delle cellule eucariotiche.