¿Por qué las mitocondrias tienen su propio ADN?

Las mitocondrias son bacterias primitivas que vivieron dentro de otras células hace miles de millones de años. Permiten que las células que viven en su interior procesen la energía de manera más eficiente, y sin ellas, los organismos multicelulares grandes probablemente no serían posibles. Renunciaron tanto a la vida independiente como a la reproducción independiente hace mucho tiempo y ahora solo pueden existir dentro de otras células, y se reproducen al ser clonadas durante la producción de óvulos (o equivalentes) y transmitidas a la descendencia del huésped, evolucionando solo a través de mutación gradual, pero todavía tienen sus propias estructuras internas y ADN pequeños.

Los cloroplastos, que permiten a las plantas fotosintetizar, son otro tipo de bacteria simbiótica que vive dentro de células más complejas. Ninguno de los dos debe confundirse con las bacterias simbióticas que viven en las tripas de los animales y les ayudan a digerir los alimentos; estos nadan libremente en el intestino y se reproducen por fisión binaria en su propio horario, como lo harían en un estanque, en lugar de estar encerrados en las células del huésped.

PD: Uno de mis comentaristas me dijo que algunos hongos tienen mitocondrias que no tienen ADN interno, lo que significa que los genes que codifican la producción y la forma de sus mitocondrias de alguna manera deben haberse transferido al ADN del hongo.

Las mitocondrias (y los cloroplastos) descienden de bacterias de vida libre, una teoría propuesta por primera vez por Konstantin Merezhkovsky alrededor de 1905 (y luego ignorada) y luego revivida por Lynn Margulis en 1970 con mucha mejor evidencia.

La prueba de esta hipótesis se encuentra en los genomas de las mitocondrias y los cloroplastos: los primeros están relacionados con las alfa-proteobacterias (incluida la bacteria invasiva Salmonella typhi) , y los últimos con las cianobacterias.

En su nuevo papel como orgánulos, estas bacterias eliminan muchos genes necesarios para la vida independiente y transfieren otros al núcleo eucariota. Pero aún conservan su propia maquinaria de síntesis de proteínas.

Este es un gran ejemplo del papel de la contingencia en biología. Si diseñara desde cero un sistema para producir energía mediante fosforilación oxidativa, nunca se le ocurriría el concepto de un orgánulo semiautónomo con su propio ADN (y, por lo tanto, su propia agenda genética). Este no es un diseño inteligente en absoluto, sino solo el producto de la historia.

Para dar más antecedentes evolutivos a la respuesta de Mike Keesey: hay una serie de teorías sobre los inicios de la vida, desde la cuestión de la “primera vida”, cómo se veía y cómo surgió, hasta la primera protocelda, hasta la división de eubacterias (lo que parecen ser las mitocondrias), arqueas y eukarya (células que contienen orgánulos).

Una teoría vigente actual es la siguiente:

• un arqueón anaeróbico comió una bacteria aeróbica pero no la digirió por completo.
• Esta bacteria aeróbica floreció dentro del arqueón, consumiendo muchas moléculas de alimentos parcialmente procesados ​​que flotan en el citoplasma usando oxígeno (de ahí el descriptor “aeróbico”).
• La bacteria produjo tanta energía que también se liberó el exceso de ATP (“moneda de energía” para las células) para el arqueón, creando una relación endosimbiótica … y, por lo tanto, surgió el primer eucariota.
• Eventualmente, la bacteria perdió muchas de sus otras funciones, volviéndose más como las mitocondrias que conocemos hoy.
• (Los cloroplastos probablemente tienen una historia de origen similar).

Esta teoría está respaldada por varias observaciones, que incluyen:

• Los genes de Eukarya se parecen más a las arqueas que a las eubacterias, especialmente en lo que respecta a los genes dedicados al mantenimiento nuclear y la transcripción / traducción (es decir, ¡los más importantes para mantener una célula!).
• No parece haber un eucariota que evolucionó sin mitocondrias *, lo que sugiere que el impulso de energía de tener mitocondrias fue esencial para desarrollar otros orgánulos (es decir, no tenía eucariotas con núcleos / otros orgánulos antes de intentar ganar mitocondrias).

* Hay eucariotas que carecen de mitocondrias, pero la presencia de proteínas derivadas de las mitocondrias sugiere que evolucionaron con mitocondrias y luego las perdieron, no siempre les faltó una.

Las mitocondrias tienen su propio ADN debido a una teoría llamada endosimbiosis . La teoría de la endosimbiosis afirma esencialmente que hace unos 1.500 millones de años, había tres tipos diferentes de procariotas: una que era capaz de respirar aeróbicamente y convertir energía (ahora conocida como mitocondrias ), una que podía realizar fotosíntesis (ahora conocida como cloroplastos ), y uno que no podría realizar ninguna. El procariota que no pudo realizar ni engulló a los otros dos procariotas. Dado que todas las células tienen mitocondrias, pero no todas las células tienen cloroplastos, se cree que el procariota primero envolvió la célula de respiración, y luego ese nuevo procariota finalmente envolvió la célula de fotosíntesis. Esta relación era simbiótica, porque el procariota no solo se volvió más en forma, ya que ahora podía convertir y almacenar energía, sino que las células de respiración y fotosíntesis recibieron un lugar seguro para vivir y crecer.

Las mitocondrias tienen su propio ADN porque conservaron una pequeña parte de su ADN desde el momento en que eran procariotas.

Parece que las mitocondrias en los eucariotas de hoy son los ancestros modernos de los antiguos procariotas de vida libre. Esto se llama teoría endosimbiótica. La presencia de ADN en las mitocondrias sugiere, junto con otra evidencia fuerte, que este es el caso.

Las mitocondrias transcriben su ADN para producir las proteínas necesarias. Sin embargo, han perdido muchos de sus genes y no pueden funcionar sin proteínas hechas de ADN nuclear.

Las mitocondrias en Cryptosporidium, un género de protozoos, carecen de ADN por completo.

Hace mil millones y algo años atrás, dos organismos formaron un simbiótico, donde uno se encargaba de la producción óptima de ATP y el otro, de todo lo demás. Con el tiempo, el simbiótico productor de ATP perdió todos los genes que no eran críticos para su papel y el otro simbiótico se ocupó cada vez más de todas las demás funciones, como ayudar a dividir al simbiótico productor de energía.

Esta simbiosis fue tan exitosa que ningún otro organismo complejo podría competir con ella. Así nacieron los organismos eucariotas, desde las levaduras unicelulares más simples hasta los organismos multicelulares más complejos.

La mitocondria es diferente de la mayoría de los otros orgánulos porque tiene su propio ADN circular (similar al ADN de los procariotas) y se reproduce independientemente de la célula en la que se encuentra; Un caso aparente de endosimbiosis . Los científicos plantean la hipótesis de que hace millones de años los procariotas pequeños de vida libre fueron engullidos, pero no consumidos, por procariotas más grandes, tal vez porque pudieron resistir las enzimas digestivas del organismo huésped. Los dos organismos desarrollaron una relación simbiótica a lo largo del tiempo, el organismo más grande proporcionó al más pequeño con abundantes nutrientes y el organismo más pequeño proporcionó moléculas de ATP al más grande. Eventualmente, según este punto de vista, el organismo más grande se convirtió en la célula eucariota y el organismo más pequeño en la mitocondria. [1]

Notas al pie

[1] Expresiones moleculares Biología celular: mitocondrias

Creo que una respuesta completa implica dos puntos separados.

Laura LaBarge ya ha dejado claro el primer punto: las mitocondrias ahora están casi universalmente aceptadas como descendientes de bacterias que comenzaron a vivir dentro de eucariotas. Entonces tienen su propio ADN porque siempre tuvieron su propio ADN.

Pero como mencionó, con el tiempo la mayoría del ADN mitocondrial ha migrado al núcleo celular, que después de todo es parte de una célula eucariota optimizada para contener ADN. Lo que deja la pregunta: ¿por qué no ha migrado todo el ADNmt al núcleo celular?

La situación es peor de lo que piensas, porque el ADN que todavía se encuentra con cada mitocondria se usa realmente. Eso significa que la maquinaria complicada para interpretar el ADN y construir proteínas a partir de él tiene que estar presente en cada mitocondria. ¡Y las células generalmente tienen un * lote * de mitocondrias!

Entonces, está sucediendo algo que justifica el increíble gasto de preservar algo de ADN mitocondrial, y todas las herramientas elaboradas necesarias para usarlo, con cada mitocondria. Hasta donde yo sé, la explicación habitual es que es esencial que las mitocondrias hagan su trabajo de forma rápida y precisa, por lo que, en lugar de esperar a que las instrucciones y los suministros provengan del núcleo, deben microgestión ellos mismos.

Esto se relaciona con lo que las mitocondrias hacen por sus células: generan energía al quemar combustible. Si bien desea que sus mitocondrias produzcan tanta energía como sus células necesitan tan pronto como la necesiten, también desea que dejen de producir esa energía tan pronto como no la use por la misma razón por la que desea dejar de bombear gas. tan pronto como el tanque de su automóvil esté lleno, esas cosas son peligrosas si se derraman por completo. Creo que las mitocondrias también están involucradas en la muerte celular programada y la regulación del calcio. No soy un experto en todo esto, pero estoy bastante seguro sobre el principio básico: las mitocondrias hacen un trabajo importante pero delicado que necesita ser controlado localmente tanto que cada uno todavía tiene algo de ADN y la infraestructura para usarlo.

Se cree que las mitocondrias descienden de las alfaproteobacterias que vivían simbióticamente dentro de las células proto-eucariotas. Se cree que el género Rickettsia , que incluye bacterias que causan enfermedades como el tifus *, incluye a los parientes vivos más cercanos a las mitocondrias.

* Pero no, a pesar del nombre similar, raquitismo.

La respuesta honesta que nadie ha escrito es esta: no lo sabemos.

Sin embargo, creemos que, dado que es el único orgánulo con su propio ADN y dado que hay razones razonables para creer que el ADN mitocondrial se ha reducido significativamente en los años evolutivos para tener solo aquellos genes que ayudan a la célula huésped, probablemente comenzó como un parásito y luego se convirtió en un componente simbiótico amigable.

Un crudo ejemplo sería perros. Las criaturas parecidas a lobos atacan a una manada de humanos para tener a sus bebés, pero en cambio quedan atrapados en la sumisión. Una gentil ofrenda de carne cazada hace maravillas a medida que el animal hambriento desarrolla lealtad al comedero. A medida que demuestran ser eficientes para cazar juntos, los humanos deciden mantenerlos como cómplices y así comienzan un largo matrimonio de dos especies.
La misma historia juega aquí con las mitocondrias tan absortas que ya casi no podemos llamarlo un organismo.

Gracias por el A2A.

Como se ha dicho, la teoría endosimbiótica, que es bastante ampliamente aceptada, afirma que tanto los cloroplastos como las mitocondrias fueron bacterias por derecho propio. Creemos que los equivalentes actuales son las cianobacterias y las proteobacterias, respectivamente.
Algunos buenos conjuntos de evidencia:

• Genomas circulares como se ve en bacterias
• Sin núcleo propio ni empaque de cromatina (características procariotas)
• Sin intrones como en los sistemas eucariotas.
• Doble membrana similar a las membranas internas y externas de las bacterias gramnegativas.
• Codificar sus propios tRNA
• Replicar en un punto diferente del ciclo celular a otros orgánulos

Pero, ¿”necesitan su propio ADN”? No, no lo hacen. Pero es el sistema el que funciona y la naturaleza es buena para mantener los sistemas que funcionan, incluso si no son el sistema óptimo. Una cantidad considerable de ADNmt y ADNc ha migrado al núcleo de manera que el ADNmt ya no codifica por completo para una mitocondria funcional. ¿Por qué no todo el ADN migra al núcleo? Porque este sistema funciona.
Fuente – Tutor de biología en línea

Veo que ya se han escrito respuestas bastante elaboradas.
Entonces, trataré de decirlo de manera más simple, es un acto de proceso evolutivo que fue necesario para la supervivencia de esos pequeños procariotas.
Las mitocondrias fueron una vez una bacteria de vida libre y capaces de producir energía, pero lucharon por protegerse. Por el contrario, la célula primitiva podía defenderse debido a su gran tamaño, pero carecía de abundante energía. En algún momento, esta célula primitiva consumió una sola mitocondria que no fue digerida por la célula primitiva. Fue amor celular en el primer sitio .. !! La célula protegió la mitocondria, y la mitocondria proporcionó energía para la célula. La mitocondria y la célula entraron en una relación endosimbiótica (relación simbiótica o mutualista). La endosimbiosis es esencialmente cuando un organismo vive dentro de otro. Desde esta unión inicial, las mitocondrias se han convertido en un orgánulo crítico de la célula, y sin el otro, ninguno sobreviviría.
Pero en el proceso, la mitocondria recibió una paliza. La mayor parte de su ADN ahora se encuentra en el núcleo de la célula huésped (aunque diferentes especies tienen mitocondrias con diferentes cantidades de ADN). La mitocondria ya no puede vivir por sí sola: es una cáscara hueca de lo que fue.
Parece bastante descabellado ya …, bueno, puede haber sido, pero hasta ahora, esta es la teoría más ampliamente exceptuada. Y no solo las mitocondrias, sino también el cloroplasto (presente solo en las plantas también son una vez bacterias libres de color verde azulado que se internalizaron en una célula vegetal y luego se convirtieron en parte de ella.
Y sí, Lynn Margulis tomó esta idea (que se propuso en el siglo XIX) y la desarrolló en su Ph.D. disertación.
Espero que esto ayude.

La respuesta a esta pregunta viene dada por la teoría del endosimbionte. La palabra “endosimbiosis” significa que las células engullidas no se digieren, sino que viven juntas en una relación o simbiosis mutuamente beneficiosa. La teoría endosimbiótica propone que estos orgánulos fueron células procariotas, que vivían dentro de células huésped más grandes. Los procariotas pueden haber sido inicialmente parásitos o incluso una comida prevista para la célula más grande, escapando de alguna manera a la digestión y los dos comenzaron a vivir juntos simbióticamente. Por lo tanto, la mitocondria era un procariota de vida libre antes de ser un orgánulo celular. Esta teoría está respaldada por las siguientes evidencias:

1. La mitocondria se divide por fisión binaria.
2. La mitocondria tiene ribosomas 70S que se ven en procariotas, mientras que los eucariotas tienen ribosomas 80S.
3. En las mitocondrias, el material genético está presente en forma de anillo circular, que también se observa en el caso de los procariotas.
4. Las mitocondrias tienen su propio material genético y la maquinaria para fabricar sus propios ARN y proteínas.

Por lo tanto, como la mitocondria era un procariota de vida libre antes de ser un orgánulo, explica la razón de la presencia de ADN en la mitocondria y está respaldado por la Teoría del Endosimbionte.

Las mitocondrias tienen su propio ADN porque se cree que las mitocondrias se han originado a partir de bacterias primitivas que fueron absorbidas por la célula eucariota.

La teoría del endosimbionte sugiere que la bacteria que estaba envuelta permaneció dentro de la célula pro-eucariota como Symbiont.

El procedimiento de evolución de las mitocondrias fue el siguiente:

1. Inicialmente, la pared celular del procariota desapareció. Esto aumentó las posibilidades de transferencia horizontal de genes y también aumentó la movilidad requerida para la fagocitosis.

2. Más tarde, la célula comenzó a invadir cosas a su alrededor y consumió material por el proceso de fagocitosis.

3. A medida que desaparecía la pared celular, la invaginación ocurría con frecuencia. La información genética de la célula que estaba en contacto directo con el citosol comenzó a aislarse del citosol a medida que la invaginación de la membrana conduce a la formación de la membrana nuclear.

4. De la misma manera, se formó el retículo endoplásmico.

5. De alguna manera, en el curso de la evolución de esa bacteria o célula pro-eucariota, una fagocitosis invaginó y consumió una bacteria aeróbica.

6. La bacteria vivió simbióticamente con la célula temprana y se desarrolló como mitocondrias.

7. La bacteria tiene una membrana externa similar a la membrana plasmática, ya que se originó debido a la invaginación de la membrana.

8. La membrana interna era la parte de la bacteria. Se compone de cardiolipinas y es altamente impermeable a los iones y moléculas.

9. El análisis genético sugiere que las mitocondrias se han derivado de la bacteria púrpura (miembro de Rickettsia). Las mitocondrias tienen ARN ribosómico de los años 70, que nuevamente desciende del procariota.

No está exactamente claro, pero esta es la razón más probable.

Un procariota muy temprano fue el primer organismo capaz de conducir la respiración celular. Con el tiempo, entró en una relación simbiótica con otro organismo unicelular, que le suministró los nutrientes necesarios y la célula respiradora devolvió ATP adicional. Durante incluso más tiempo, estos dos organismos unicelulares se fusionaron para formar una célula. Finalmente, la mitocondria perdió la mayoría de sus características celulares y se convirtió en un orgánulo en un eucariota. Sin embargo, retuvo parte de su ADN.

Las otras respuestas son buenas, pero simplemente … la teoría endosimbiótica puede explicar su pregunta. La teoría dice que las mitocondrias se originaron como una célula separada por completo y migraron dentro de las células más grandes para protección como una relación simbiótica. Como pez payaso y anémonas de mar. Lo mismo ocurre con las plantas y los cloroplastos que también tienen su propio ADN. Te animo a buscar la teoría para entender más

El estado de las mitocondrias como descendientes de bacterias ya no tiene serias dudas. Tienen sus propios genes, similares a bacterias particulares de vida libre. También es cierto para los cloroplastos en las plantas.

La forma en que se formó la sociedad es mucho más especulativa.

Porque una bacteria como una criatura, con su propio ADN, fue absorbida en el interior de la célula de un organismo antiguo. Y ha vivido allí desde entonces como un “endosimbionte” https://en.wikipedia.org/wiki/En …

Además de la excelente respuesta de Roo Shaw, también vale la pena señalar que los cloroplastos también contienen su propio ADN y se considera que surgieron a través de la endosimbiosis de un organismo similar a las cianobacterias de vida libre.