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| "Woher kommt die Doppelmembran bei Mitochondrien?" |
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"Woher kommt die Doppelmembran bei Mitochondrien?"
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Sowohl Mitochondrien als auch Chloroplasten haben eine Doppelmembran. Woher haben sie die DNA für diese doppelte Membran? Prokaryoten hatten sie ja noch nicht! Vermischt sich die DNA der Prokaryoten mit der DNA der \"neuen\" Eukaryoten?
(IGS Reiffenhausen, Jahrgangsstufe 12)
Bild: Transmissionselektronische Aufnahme von Mitochondrien in einer Lungenzelle.
Urheber: Louisa Howard, Wikimedia Commons, Public domain.
Antwort:
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Wie wir heute sicher wissen, haben sich Organellen wie Mitochondrien und Chloroplasten aus einst freilebenden Bakterien entwickelt, die von einer Wirtszelle aufgenommen wurden. Im Fall der Mitochondrien vermuten viele Wissenschaftler aufgrund von Genom-Analysen, dass es sich dabei um ein Alpha-Proteobakterium handelte. Im Fall der Chloroplasten von Pflanzen zeigen die wissenschaftlichen Daten, dass diese von Cyanobakterien abstammen.
Sehr viel weniger wissen Wissenschaftler über die Wirtszelle. Doch es gibt eine Reihe von Daten, die darauf hindeuten, dass auch die Wirtszelle ein Bakterium gewesen sein könnte (z.B. W. Martin W, Muller M: The hydrogen hypothesis for the first eukaryote.
Nature. 392:37-41, 1998). Wenn nun die Wirtszelle (die von einer Plasmamembran umgeben ist) ein Bakterium gewissermaßen „verschluckt“, so umhüllt bei diesem Prozess die Wirtszelle mit ihrer Membran die Membran des eindringenden Bakteriums. Eine Abbildung, auf der Sie dies gut erkennen können, findet sich unter:
http://www.molevol.de/research/endosymbiosis.html
Der so aufgenommene Organismus ist daher von einer Doppelmembran statt einer einfachen Membran umgeben. Das Leben des eingewanderten Einzellers (des Endosymbionten) und der Wirtszelle entwickelte sich im Laufe der Evolution schließlich zur beiderseitigen Abhängigkeit, in der keiner der beiden Partner mehr ohne den anderen überleben konnte: Es entstand eine Symbiose.
In Zuge der weiteren Evolution wurde der Endosymbiont (das Bakterium) schließlich immer weiter zu einem „Dienstleister“ reduziert. So wurden die Alphabakterien zu den „Kraftwerken“ der Zelle und stellten die für alle Eukaryoten lebenswichtigen Eisen-Schwefel-Cluster her. Die Cyanobakterien wurden zu „Fotosynthese-Fabriken“. Im Zuge dieser Reduktion gingen Teile des nicht mehr benötigten Bakteriengenoms verloren, andere Gene wurden in das Genom der Wirtszelle integriert, aus dem sich schließlich der Zellkern entwickelte. Im Zuge der Auslagerung von Genen in den Zellkern konnten allerdings nicht mehr alle Proteine „vor Ort“ synthetisiert werden. Die Organellen haben daher eine eigene Maschinerie entwickelt, um Proteine in das Organell zu importieren. Einzelne Protein-Komplexe in den Organellen, wie z.B. die ATP-Synthase, werden sogar zum Teil aus kernkodierten, zum Teil aus mitochondrial kodierten Untereinheiten zusammengesetzt.
Interessanterweise haben Wissenschaftler bisher keinen einzigen eukaryotischen Einzeller entdeckt, der keine Mitochondrien besitzt – auch wenn sie bei einigen primitiven Einzellern wie Mikrosporidien sehr stark reduziert sein können. Damit scheint die Evolution der Eukaryoten sehr eng mit der Aufnahme des Vorläufers der Mitochondrien gekoppelt zu sein.
Auch heute kann man übrigens noch beobachten, dass beispielsweise amöboide Einzeller (also solche mit einer „weichen“ Membran) Cyanobakterien aufnehmen, ohne sie zu verdauen.
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Zur Person:
Dr. Carmen Rotte studierte Biologie an der Carl-von-Ossiezky-Universität in Oldenburg und an der Rutgers University in New Brunswick (New Jersey, USA). Sie promovierte 2003 an der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf bei Bill Martin. Nach Postdoc-Aufenthalten im Labor von Roland Lill an der Philipps-Univesität Marburg und im Labor von Ralf Ficner an der Georg-August-Universität Göttingen arbeitet sie seit 2007 als Pressebeauftragte am MPI für biophysikalische Chemie.
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© 2012, Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen |
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