ATP Transport stellt den evolutionären Ursprung der Mitochondrien infrage

Als ich noch in Gymnasiumalter war hat sich meine Familie die meisten Sonntagmorgens vor den Fernseher gesammelt, wo wir die Wiederholungen der alten Abbott und Costello Filme geschaut haben.

Bild: Bud Abbott and Lou Costello. Bildquelle: Wikipedia

In einer meiner Lieblingsnummern versuchen die beiden Komiker, einer Frau dabei zu helfen, ihr parallel geparktes Auto aus einer engen Parklücke herauszuziehen. Als Costello sich hinter das Steuer setzt, sagt Abbott zu ihm: “Vorfahren. Rückwärts fahren”. ” Und natürlich folgen Verwirrung und Gelächter” als Costello wiederholt versucht zu klären, ob sie “vorfahren” oder “rückwärts fahren” soll, und schließlich schreit die Dame: “Entscheiden Sie Sich bitte!”

Es stellt sich heraus, Biologen auf der Suche nach dem Ursprung der Mitochondrien (durch einen evolutionären Pfad) verwirren die Richtungen genauso schlimm wie Costello. Genau gesprochen ist Ihr Ziel, die Richtung von ATP-Transport in den evolutionären Vorgängern der Mitochondrien (Pre-Mitochondrien genannt) zu bestimmen.

In einem Versuch, auf diese Frage einzugehen, hat ein Forschungsteam an der University of Virginia (UVA) den Frustpegel nur höher geschraubt und neue Herausforderungen für die Erklärungen vom evolutionären Ursprung der Mitochondrien entdeckt. Ihre Arbeit droht, die wissenschaftliche Gemeinschaft ganz aus der Fahrbahn der Evolution und in die den Graben zu stürzen, wenn es um die Erklärung des Ursprungs der eukaryotischen Zellen geht.1

Um die Probleme für die Endosymbionten-Hypothese, die aus dieser Arbeit entstehen, wirklich zu verstehen, braucht man eine kurze Wiederholung vom Hintergrund. (Wenn Sie mit der Beweisführung für die Endosymbionten-Hypothese vertraut sind, sollen Sie bis Die Rolle der Mitochondrien weiterscrollen.)

Die Endosymbionten-Hypothese

Die meisten Biologen glauben, dass die Endosymbionten-Hypothese die beste Erklärung vom Ursprung komplexer Zellen bietet.

Dieser Idee zufolge entstanden komplexe Zellen nachdem Symbiosen unter Einzeller Mikroben sich entwickelte und diese dann frei-lebende bakterielle und/oder archaeale Zellen von einem “Wirt”-Mikroben umschlungen wurden.

Die “Vorhängeschilder” der Endosymbionten-Hypothese sind Mitochondrien. Man nimmt an, dass das Mitochondrium seine evolutionäre “Reise” als Endosymbiont begann. Evolutionsbiologen glauben, dass, nachdem die Mikrobe von der Wirtzelle verschlungen wurde, wurde die Mikrobe ein permanentes Bestandteil des Wirts. Es wuchs und teilte sich im Wirt. Mit Laufe der Zeit wurden der Endosymbiont und der Wirt voneinander abhängig. Der Endosymbiont lieferte einen metabolischen Nutzen für die Wirtzelle (z.B. er lieferte eine Quelle von ATP). Als Gegenleistung lieferte die Wirtzelle den Endosymbionten mit Nährstoffen. Man nimmt an, dass der Endosymbiont durch einen Prozess namens Genomreduktion sich allmählich in eine Organelle weiterentwickelte. Diese Reduktion ergab sich dadurch, dass Genen aus dem Genom des Endosymbionten ins Genome des Wirtorganismus übertragen wurden. So entstand das mitonukleare Genome.

Bild: Endosymbionten Hypothese. Bildquelle: Wikipedia

Beweis für die Endosymbionten-Hypothese

Sehr viel Beweis für den endosymbiontischen Ursprung der Mitochondrien dreht sich um die Ähnlichkeit zwischen Mitochondrien und Bakterien. Diese Organellen haben ungefähr die gleiche Größe und Gestalt der typischen Bakterien und haben eine Zweischicht-Membranstruktur wie gramnegative Zellen. Diese Organellen teilen sich auch auf einer Art und Weise, die dem Mechanismus der bakteriellen Zellen sehr ähnlich ist.

Biochemischen Beweis für die Endosymbionten-Hypothese gibt es auch. Evolutionsbiologen halten das Vorhandensein des diminutiven mitochondrialen Genoms für ein Überbleibsel der Evolutionsgeschichte dieser Organelle. Sie halten die biochemischen Ähnlichkeiten zwischen mitochondrialen und bakteriellen Genomen für weiteren Beweis für den evolutionären Ursprungs dieser Organelle.

Das Vorhandensein eines einzigartigen Lipids, Cardiolipin, in der inneren mitochondrialen Membran, dient auch als Beweis für die Endosymbionten-Hypothese. Dieses wichtige Lipidbestandteil einer bakteriellen internen Membran fehlt in den Membranen der eukaryotischen Zellen —mit der Ausnahme der inneren Membranen der Mitochondrien. Eigentlich halten Biochemiker Cardiolipin für ein kennzeichnendes Lipid für Mitochondrien und eine Spur der Evolutionsgeschichte der Organelle.

Die Rolle der Mitochondrien

Mitochondrien dienen Zellen auf vielfältigen Weisen:

  • Calcium speichern
  • Calcium Signaling
  • Signaling mit reaktiver Sauerstoffspezies
  • Regulation vom zellularen Stoffwechsel
  • Wärmeerzeugung
  • Apoptose

Eine der wichtigsten Funktionen der Mitochondrien liegt in ihrer Rolle in Energieumwandlung. Diese Organelle erzeugt ATP Moleküle dadurch, dass sie die Abbauprodukte der Glycolyse durch den Tricarboxylicsäurezyklus und die Elektronentransportkette aufarbeitet.

Biochemiker nennen ATP eine hoch-energetische Verbindung—es dient als die Energiewährung der Zelle, und die meisten zellulären Prozessen werden durch ATP angetrieben. Eine Weise, wie ATP Energie liefert, ist dadurch, dass es sich in ADP und ein anorganisches Phosphatmolekül umwandelt. Diese Abbaureaktion setzt Energie frei, die dann mit energieverlangenden Zellenaktivitäten gekoppelt werden können.

 

Abbildung: Der ATP/ADP Reaktionszyklus Bildquelle: Shutterstock

ATP Erzeugung und Transport

Der Enzymkomplex ATP-Synthase findet man in einer mitochondrialen inneren Membran. Sie erzeugt ATP aus ADP und anorganisches Phosphat durch ein Protonen-Gradient, das mittels des Elektronenflusses durch die Elektronentransportkette erzeugt wird. Während ATP-Synthase ATP erzeugt, gibt sie dieses Molekül in die innerste Region der Mitochondrien ab (man nennt das „Matrix“ oder „Lumen“).

So dass die ATP als Energiequelle für zelluläre Prozesse vorhanden ist, muss sie aus dem Lumen und durch die mitochondriale innere Membran ins Zytoplasma transportiert werden. Leider ist die innere mitochondriale Membran für ATP (und ADP) undurchlässig. Um diese Barriere zu überwinden, führt ein in der inneren Membran eingebettetes Protein namens ATP/ADP-Translocase den Transport durch. Ganz günstig für die Zellenbiologie ist, dass, für jedes Molekül von ATP, das aus dem Lumen transportiert wird, wird ein Molekül von ADP aus dem Zytoplasma ins Lumen transportiert. Dieses ADP wird wiederum ins ATP mittels ATP-Synthase umwandelt.

Weil dieser Prozess so wichtig ist, machen Kopien von ATP/ADP Translocase 10% von den Proteinen in der inneren Membran aus.

Wenn dieses Enzym nicht richtig funktioniert, erzeugt das mitochondriale Myopathien.

Das Problem, das der ATP-Transport für die Endosymbionten-Hypothese verursacht

Zwei eng-in-einander-verwickelten Fragen stehen der Endosymbionten-Hypothese gegenüber. Beide beziehen sich auf die evolutionäre Triebfeder hinter Symbiogenese und die Natur der Pre-Mitochondrien.

Evolutionsbiologen haben traditionell die Meinung gehalten, dass die Wirtszelle Anaerobier waren, während der Endosymbiont eine aerobe Mikrobe war, und ATP aus der Wirtzelle erzeugten Milchsäure erzeugte. (Milchsäure ist das Abbauprodukt von Glukose in einer anaeroben Umgebung).

Der Zellenbiologe Franklin Harold zeigt aber, dass dieses Szenario einen inhärenten Fehler hat. Und zwar, wenn der Endosymbiont für das sein eigenes Überleben notwendige ATP aus den von der Wirtzelle gewonnenen Nährstoffen erzeugt, warum würde er ein Teil von —oder sogar das ganze ATP—das er erzeugt an die Wirtzelle abgeben?

Laut Harold,“Das Problem ist, es sei denn, die Eindringlinge ihre Erträge mit dem Wirt teilen, würden sie schnell größer als der Wirt werden; sie würden Pathogene werden und keine Symbionten mehr sein.”2

Und sie könnten ihre Erträge mit der Wirtzelle nur dadurch teilen, in dem sie das ATP aus dem Inneren der verschlungenen Zelle ins Zytoplasma der Wirtzelle transportierten. Während die Mitochondrien das mittels der ATP/ADP-Translocase erreichen, gibt es keinen guten Grund zu denken, dass die verschlungene Zelle das tun würde. Angesichts der Rolle, die ATP als die Energiewährung der Zelle und die Energie spielt, die verbraucht wird, um dieses Molekül zu erzeugen, gibt es keinen Vorteil für die verschlungene Zelle, wenn es das ATP aus seinem Inneren in die externe Umgebung zu pumpen.

Harold fasst das Problem so zusammen: “So ein Träger wäre im frei-lebenden Symbionten nicht vorhanden, muss aber im Laufe seiner “Versklavung” erworben sein; es kann nicht die Grundlage einer Erklärung des initialen Nutzen der Beziehung sein.”3

Mit anderen Worten haben wir aktuell keine evolutionäre Erklärung dafür, warum ATP/ADP-Translocase in der inneren Membran der Mitochondrien—ein wichtiges Protein für die Funktion der Mitochondrien in eukaryotischen Zellen —ATP aus dem Lumen ins Zytoplasma pumpt.

Zwei möglichen Modellen

Dieses Problem führte dazu, dass Evolutionsbiologen zwei möglichen Modellen, die die evolutionäre Triebfeder der Symbiogenese erklären könnten: 1) die Wasserstoff-Hypothese; und 2) die Sauerstofffänger-Hypothese.

Die Wasserstoff-Hypothese behauptet, dass die Wirtzelle eine methanogene Archaea war, die Wasserstoffgas aufnahm und der Symbiont ein wasserstoff-erzeugendes Alpha-Proteo-Bakterium.

Das Sauerstofffänger-Modell legt nahe, dass die verschlungene Zelle aerobisch war, und, weil sie Sauerstoff gebraucht hatte, die Menge Sauerstoff im Zytoplasma der Wirtzelle, die vermutlich ein Anaerobier war, reduzierte.

Heute setzen die meisten Evolutionsbiologen auf Wasserstoff- Hypothese—zum Teil deswegen, dass das Sauerstoff-Auffänger-Modell auch einen tödlichen Fehler hat. Wie Harold aufführt, “Dieses [Sauerstoff-Aufffänger-Modell] [oxygen scavenger model]ist zweifelhaft, weil Respiration frei Radikale erzeugt, die wiederum sehr viele Schäden an Zellenmembrane und Genen verursachen.”4

Fahren wir Vorwärts oder Rückwärts?

Um voranzukommen haben zwei Forscher von UVA versucht, die Vorläufer der Mitochondrien in der Evolution nachzustellen. Diese Vorläufer nennt man Pre-Mitochondrien.

Im erklärenden Rahmen der Evolution haben diese zwei Forscher Gene im mitochondrialen Genom und Gene aus den Kerngenomen der Organismen, die vermutlich während der Symbiogenese in den Zellenkern übertragen wurden. (Gene, die zusammen mit den alphaproteobakteriellen Genen gruppiert wurden, und vermutlich mitochondrialen Ursprungs.)

Aufgrund ihrer Rekonstruktion schließen sie, dass die verschlungene Zelle ATP/ADP Translocase benutzt hat, um ATP aus dem Zytoplasma der Wirtzelle in sein Inneres zu importieren, und dadurch ATP gegen ADP getauscht hat. Diese ist die Art ATP/ADP-Translocase, die man heute in den obligaten intrazellularen Parasiten sieht.

Die Autoren erklären, was das bedeutet:

“Pre-Mitochondrien [waren] [was] ‘Energie-Aufffänger’; diese Tatsache legt nahe, dass es einen Energieparasitismus zwischen dem Endosymbionten und seinem Wirt in dem Ursprung der Mitochondrien gab . . . . Diese Tatsache steht im krassen Gegensatz zur heutigen Rolle der Mitochondrien als die Energiefabrik der Zelle und widerspricht der traditionellen endosymbiontischen Theorie, dass die Symbiosis dadurch getrieben wurde, dass der Symbiont dem Wirt mit ATP belieferte.”5

Die Autoren vermuten, dass die ATP/ADP-Translocase fuhr fort, um rückwärts zu fahren, also irgendwann während Symbiogenese rückwärts zu laufen began. Diese Erklärung ist aber nur leicht besser als eine glaubwürdig-aber-nicht-überzeugende Geschichte; ihr fehlt jede Beweisgrundlage. Diese Konjunktur wird unglaubwürdig durch ihre Entdeckung, dass die ATP/ADP-Translocase, die man in Mitochondrien findet, evolutionär gar nicht mit den ATP/ADP-Translocase-Molekülen in obligaten, intrazellularen Parasiten, verwandt ist.

Die Tatsache, dass die verschlungene Zelle ein obligates, intrazellulares Parasit war, bremst nicht nur die herkömmliche Endosymbionten-Hypothese, sie platzt die Reifen vom Sauerstoff-Aufffänger-Modell und von der Wasserstoff-Hypothese. Laut Wang und Wu (die UVA Forscher):

“Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Mitochondrien höchstwahrscheinlich von einem obligaten, intrazellularen Parasit abstammen, und nicht von einem freilebenden Bakterium. Diese Tatsache hat wichtige Auswirkungen auf unser Verständnis vom Ursprung der Mitochondrien. Es besagt, dass der bakterielle Symbiont am Anfang der Endosymbiose dem Wirt gar kein Nutzen brachte. Deswegen behaupten wir, dass das Nutzen, das in den unterschiedlichen Hypothesen (z.B, Sauerstoff-Aufffänger- und Wasserstoff-Hypothesen) angenommen wird, völlig irrelevant im Etablieren der erste Symbiose ist.”6

Wenn die Ergebnisse der Analyse der Forscher an der UVA bestehen bleiben, haben Evolutionsbiologen keinen richtungsgebenden Impuls mehr, wenn es darum geht, die evolutionäre Triebfeder hinter den frühen Stadien der Symbiogenese oder die Evolutionsgeschichte hin zu den Mitochondrien zu verstehen.

Es scheint, je mehr die Evolutionsbiologen die Frage des mitochondrialen Ursprungs erforschen, desto größer die daraus entstehende Verwirrung und Unsicherheit. Faktum est, es gibt keine kohärente, überzeugende, evolutionäre Erklärung für den Ursprung der eukaryotischen Zellen —und dies ist ein Schlüsselereignis der Geschichte des Lebens. Die Studie der Forscher an der UVA (zusammen mit anderen Studien) lässt die prominentesten Erklärungen für den Ursprung der Eukaryoten im theoretischen Rahmen der Evolution höchstunwahrscheinlich und daher unglaubwürdig erscheinen. Das rechtfertigt die Skepsis gegenüber der größten Behauptung des evolutionären Paradigmas: nämlich, dass der Ursprung, das Design und die Geschichte des Lebens sich ausschließlich durch evolutionäre Prozessen erklären lassen.

Angesichts dieser Unsicherheit kann der Ursprung der Mitochondrien und folglich der der eukaryotischen Zellen besser durch ein Schöpfungsmodell erklärt werden? Das denke ich, aber für viele Wissenschaftler ist diese Straße die weniger befahrene.

Ressourcen

Herausforderungen für die Endosymbionten-Hypothese:

Unterstützung für ein Schöpfungsmodell für den Ursprung der eukaryotischen Zellen:

ATP-Erzeugung und das Argument für einen Schöpfer:

Endnoten
  1. Zhang Wang und Martin Wu, “Phylogenomic Reconstruction Indicates Mitochondrial Ancestor Was an Energy Parasite,” PLOS One 9, no. 10 (15.Oktober. 2014): e110685, doi:10.1371/journal.pone.0110685.
  2. Franklin M. Harold, In Search of Cell History: The Evolution of Life’s Building Blocks (Chicago, IL: The University of Chicago Press, 2014), 131.
  3. Harold, In Search of Cell History, 131.
  4. Harold, In Search of Cell History, 132.
  5. Wang und Wu, “Phylogenomic Reconstruction.
  6. Wang und Wu, “Phylogenomic Reconstruction.