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Biologen unterteilen alles Leben auf der Erde in drei Bereiche: Bakterien, Archaeen und Eukarya. Bakterien und Archaeen bestehen beide aus einzelnen Zellen, die keinen Zellkern und keine internen membrangebundenen Organellen aufweisen. Eukarya sind alle Organismen, deren Zellen einen Zellkern und andere interne membrangebundene Organellen enthalten. Eukaryoten sind auch dafür bekannt, eine spezialisierte Organelle zu haben, die Mitochondrien genannt wird. Mitochondrien sind bei den meisten Eukaryoten so häufig, dass viele Menschen die wenigen Eukaryoten übersehen, denen Mitochondrien fehlen.
Was sind Eukaryoten?
Eine einzelne eukaryotische Zelle besteht aus einem gelartigen wässrigen Zytoplasma, in dem eine globuläre Kernmembran die DNA enthält, und membrangebundene Kompartimente trennen andere Arbeitsbereiche der Zelle. Fast alle Eukaryoten enthalten eine Organelle namens Mitochondrion. Mitochondrien enthalten ihre eigene DNA und verwenden ihre eigene Proteinsynthesemaschinerie - völlig unabhängig von der übrigen Maschinerie der Zelle. Die akzeptierte Ansicht ist, dass ein Bakterium vor vielen hundert Millionen Jahren in ein Archaikum eingedrungen ist. Die Beziehung entwickelte sich zu einer Symbiose. Die Bakterien sind jetzt als Mitochondrien bekannt, und die Kombination entwickelte sich zu den meisten bekannten eukaryotischen Organismen.
Die Funktion der Mitochondrien
Mitochondrien sind die primären Energieerzeugungsstellen in den meisten eukaryotischen Zellen. Sie sind entscheidend für einen Prozess, der als aerobe Zellatmung bezeichnet wird. Zellatmung ist ein Prozess, bei dem Zellen organische Moleküle aufspalten und die Energie, die sie extrahieren, in Molekülen speichern, die als Adenosintriphosphat oder ATP bezeichnet werden. Dies kann ohne Sauerstoff erfolgen. In diesem Fall spricht man von anaerober Atmung. Wenn jedoch Sauerstoff vorhanden ist, können die meisten eukaryontischen Zellen und einige prokaryontische Zellen unter Verwendung des Prozesses der aeroben Zellatmung viel mehr ATP-Moleküle erzeugen. Bei den Eukaryoten findet dieser Prozess in den Mitochondrien statt. Bei aeroben Prokaryoten findet dieser Prozess an der Zellmembran statt.
Energie aus Glukose
Viele eukaryotische Zellen beziehen den größten Teil ihrer Energie aus Glukose. Der erste Schritt besteht darin, die Glukose in zwei gleiche Teile aufzuteilen. Dieser Schritt wird Glykolyse genannt. Die Glykolyse findet im Zytoplasma statt und erzeugt ein wenig Energie für die Zelle. Der nächste Schritt bei der Energieerzeugung hängt vom jeweiligen Zelltyp und der augenblicklichen Umgebung in der Zelle ab. Wenn der Sauerstoffgehalt niedrig ist, können eukaryotische Zellen auf die anaerobe Zellatmung zurückgreifen - insbesondere auf einen Prozess namens Fermentation, bei dem die Glykolyseprodukte ein wenig mehr Energie produzieren und eine Verbindung namens Milchsäure zurückbleiben. Menschliche Muskelzellen tun dies, wenn der Energiebedarf der Muskeln die Geschwindigkeit der Sauerstoffaufnahme übersteigt. Wenn ausreichend Sauerstoff vorhanden ist, nutzen Menschen und andere eukaryotische Organismen die größere Energiemenge, die sie durch die Verwendung der Produkte erhalten können der Glykolyse zur Vervollständigung der aeroben Atmung in den Mitochondrien.
Amitochondriate Eukaryoten
Eukaryoten, die Sauerstoff zur Optimierung ihrer Energieerzeugung verwenden, könnten nicht überleben, wenn ihre Mitochondrien entfernt würden. Es gibt jedoch Eukaryoten, die keine Mitochondrien aufweisen, sogenannte amitochondriale Eukaryoten. Da sie keine Mitochondrien für die vollständige aerobe Atmung haben, sind alle amitochondrierten Eukaryoten anaerob. Beispielsweise ist der Darmparasit Giardia lamblia anaerob und hat keine Mitochondrien. Einige andere Amitochondrien sind Glugea plecoglossi, Trichomonas tenax, Cryptosporidium parvum und Entamoeba histolytica. Es gibt einige Fragen bezüglich der Herkunft dieser Organismen: Haben sie die Mitochondrien verloren, die sie einst hatten, oder sind sie Nachkommen der frühesten Eukaryoten vor der Fusion mit Mitochondrien? Unterschiedliche phylogenetische Beziehungen zwischen Amitochondrien und anderen Eukaryoten wurden vorgeschlagen, aber es gibt derzeit keine einzige akzeptierte Erklärung.