Endosymbiontentheorie

Die Endosymbiontentheorie erklärt den Ursprung der eukaryotischen Zellorganellen Mitochondrien und Chloroplasten. Sie besagt, dass diese Organellen aus früheren freilebenden Prokaryoten hervorgingen, die vor etwa 1,5–2 Milliarden Jahren von einer Vorläuferzelle aufgenommen wurden und seither in einer Symbiose mit dem Wirt leben. Die Theorie wurde 1967 von Lynn Margulis ausgearbeitet.

Eine archaische Wirtszelle nahm durch Phagocytose ein aerobes Bakterium auf. Statt es zu verdauen, bildete sich eine stabile Symbiose: Der Wirt erhielt von dem Bakterium ATP aus oxidativer Phosphorylierung, das Bakterium Schutz und Substrate. Aus dem aeroben Bakterium wurde das Mitochondrium. Später nahm eine eukaryotische Zelle ein photosynthetisierendes Cyanobakterium auf, woraus das Chloroplast entstand.

Zahlreiche zellbiologische Befunde stützen die Theorie:

• Doppelmembran: Mitochondrien und Chloroplasten sind von zwei Membranen umhüllt; die innere stammt vom ehemaligen Bakterium, die äußere ist die ehemalige Phagosomenmembran.
• Eigene zirkuläre DNA ohne Histone, ähnlich der bakteriellen DNA.
• Eigene 70S-Ribosomen (wie Bakterien), nicht 80S wie das übrige Cytoplasma.
• Vermehrung durch binäre Spaltung unabhängig von der Zellteilung des Wirts.
• Empfindlichkeit gegenüber prokaryotischen Antibiotika wie Streptomycin (an 70S-Ribosomen).
• Größe entspricht der freilebender Bakterien (1–5 µm).
• Genähnlichkeiten: rRNA-Sequenzanalysen ordnen Mitochondrien den α-Proteobakterien (Verwandte heutiger Rickettsien), Chloroplasten den Cyanobakterien zu.

Die Endosymbiontentheorie liefert die Erklärung für das Auftauchen komplexer eukaryotischer Zellen. Sie erklärt zudem, warum Mitochondrien matrilinear vererbt werden (mit der Eizelle), und ist Grundlage für die Verwendung mitochondrialer DNA (mtDNA) in Phylogenie und Forensik („mitochondriale Eva“).

Bei einigen Algenlinien (z. B. Diatomeen, Rotalgen, Braunalgen) wurde nicht ein Cyanobakterium, sondern eine bereits eukaryotische Alge mit Chloroplast aufgenommen – eine sekundäre Endosymbiose. Solche Plastiden besitzen drei oder vier Membranen und teilweise einen rudimentären Zellkern (Nucleomorph).

Während der Coevolution wurde ein Großteil der bakteriellen Gene in das Wirtsgenom verlagert. Heute codiert die mtDNA des Menschen nur noch 37 Gene, der Rest der mitochondrialen Proteine wird im Zellkern codiert und nach der Translation ins Mitochondrium importiert. Das macht eine vollständige Trennung von Wirt und Symbiont unmöglich.

Ribosomen der Mitochondrien sind 70S, nicht 80S. Die Doppelmembran ist nicht zufällig, sondern Beleg für den Phagocytose-Ursprung. Auch ist die Endosymbiose kein einmaliges Ereignis – Cyanobakterien wurden vermutlich mehrfach unabhängig aufgenommen.

Zusammenfassung: Mitochondrien und Chloroplasten stammen von freilebenden Bakterien ab, die einst aufgenommen wurden. Belege: Doppelmembran, eigene zirkuläre DNA, 70S-Ribosomen, binäre Spaltung, Antibiotikaempfindlichkeit.

Abitur-Tipp: Im Hessen-Abi werden mindestens vier Belege für die Endosymbiontentheorie verlangt – lerne sie zusammen mit dem Hinweis auf α-Proteobakterien und Cyanobakterien.