Originea și diversitatea celulelor eucariote

Celulele eucariote au nucleu și organite delimitate de membrane. Din această categorie fac parte celulele plantelor, animalelor, fungilor și multor organisme unicelulare. Ele pot avea forme și funcții foarte diferite. O celulă de frunză cu cloroplaste folosește lumina, o celulă musculară se contractă, iar o drojdie își duce singură viața ca organism unicelular.

Cum au apărut unele dintre organitele eucariote? O explicație susținută de mai multe dovezi este endosimbioza. În trecutul îndepărtat, o celulă ancestrală a început să trăiască într-o asociere stabilă cu o bacterie. Descendenții acelei bacterii au devenit mitocondriile. O altă asociere, în linia organismelor fotosintetizante, stă la originea cloroplastelor. Dovezi importante sunt ADN-ul propriu al acestor organite și felul în care se divid.

Această explicație nu spune că mitocondriile de azi sunt bacterii care pot trăi singure în mod obișnuit. Ele sunt integrate în celulă și depind de multe gene ale nucleului. Nu toate eucariotele au cloroplaste: animalele și fungii nu le au. De asemenea, nu toate celulele unei plante au cloroplaste vizibile, cum se întâmplă la multe celule din rădăcină. Când compari eucariote, caută atât părțile comune, cât și structurile legate de modul de viață.

Teoria endosimbiozei seriale a fost formulată de Lynn Margulis în 1967. Ea susține că o celulă ancestrală a fagocitat o bacterie aerobă, înrudită cu proteobacteriile actuale, care nu a fost digerată și a devenit mitocondria. Mai târziu, o linie de celule care avea deja mitocondrii a preluat o cianobacterie; descendenții acesteia sunt plastidele algelor și ale plantelor.

Dovezile:

1. Mitocondriile și plastidele au două membrane; cea internă seamănă cu membrana bacteriană (mitocondria conține cardiolipină, lipid întâlnit la bacterii), iar cea externă provine din vezicula de fagocitoză a gazdei.
2. Au ADN circular, fără histone, ca nucleoidul bacterian.
3. Au ribozomi de tip $70\mathrm{S}$, iar sinteza lor proteică este sensibilă la antibiotice care acționează la bacterii, precum cloramfenicolul.
4. Se divid prin fisiune binară, independent de mitoza celulei.
5. Compararea secvențelor ARN ribozomal apropie mitocondria de proteobacterii și plastidele de cianobacterii.

Genomul mitocondrial uman are $16569$ perechi de baze și $37$ de gene: $13$ pentru proteine ale lanțului respirator, $22$ pentru ARN de transfer și $2$ pentru ARN ribozomal ($13+22+2=37$). Mitocondria conține peste $1000$ de proteine diferite, deci mai puțin de $1,3\%$ dintre ele sunt codificate de propriul ADN; restul au gene în nucleu, rezultat al transferului de gene de la strămoșul bacterian. ADN-ul mitocondrial se moștenește pe linie maternă, deoarece zigotul primește mitocondriile din ovul. Nucleul și sistemul endomembranar nu se explică prin această teorie: manualele propun pentru ele ipoteza invaginării membranei celulei ancestrale.

Diversitatea celulelor eucariote:

Exemplu rezolvat 1: interpretarea dovezilor. Un cercetător descoperă într-o celulă un organit cu două membrane, ADN circular și ribozomi care nu mai sintetizează proteine după tratament cu cloramfenicol.

1. Cele două membrane și ADN-ul circular apropie organitul de o bacterie, nu de o veziculă a celulei.
2. Sensibilitatea ribozomilor la un antibiotic antibacterian arată ribozomi de tip procariot, $70\mathrm{S}$.
3. Concluzia este în acord cu originea endosimbiotică; ipoteza nu spune însă că organitul poate trăi singur, fiindcă o mare parte din gene au trecut în nucleu.

Exemplu rezolvat 2: încadrarea a trei celule. Celula A are perete de celuloză, cloroplaste și o vacuolă centrală mare; celula B are perete de chitină, nu are plastide și stochează glicogen; celula C nu are perete, are centrozom și glicogen.

1. Peretele de celuloză, plastidele și vacuola mare sunt trăsături vegetale, deci A este celulă vegetală.
2. Peretele de chitină, lipsa plastidelor și glicogenul indică fungi, deci B este celulă fungică.
3. Lipsa peretelui și prezența centrozomului indică celulă animală, deci C este animală.
4. Toate trei au nucleu și organite cu membrană, deci sunt eucariote; diferă prin structurile legate de modul de viață.

Greșeli frecvente

• Greșit: Endosimbioza explică prin același eveniment apariția tuturor organitelor.
  Corect: Explică în special originea mitocondriilor și a plastidelor.
• Greșit: Toate eucariotele au cloroplaste.
  Corect: Le au numai anumite linii fotosintetizante și anumite celule ale acestora.
• Greșit: Mitocondriile și cloroplastele sunt bacterii care trăiesc libere în celulă și își asigură singure toate proteinele.
  Corect: Majoritatea proteinelor lor sunt codificate de genele nucleului.
• Greșit: Celulele fungice sunt celule vegetale fără clorofilă.
  Corect: Fungii au perete de chitină, glicogen ca rezervă și nutriție heterotrofă, deci formează un grup distinct.

Înainte și după