Präbiotische Chemie Die chemische Evolution

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Markus Beckenbauer
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1 Präbiotische hemie Die chemische Evolution Wie die moderne hemie alte Mythen entzaubert Lange acht der hemie Armin Geyer

2 Woher kommen die Lebewesen? Bienen entstehen aus Blumen und Fliegenlarven entstehen in totem Fleisch. Biotechnologie im Jahr 1727 Man füttert eine Kuh mit Blättern des Maulbeerbaums und tötet ihr Kalb. Aus dem zerstückelten Körper entstehen Raupen des Seidenspinner- Schmetterlings. Pierre Pomet - Materialien- u. aturalien-magazin, 1727 Leipzig, Verlag M. G. Weidmann

4 och im 18. Jahrhundert glaubten die Menschen an die spontane Entstehung von Leben aus toter Materie Francesco Redi beweist bereits 1668, daß Fliegenmaden nicht aus totem Fleisch entstehen. Zerstücktes Kalb, daraus Seiden würmer werden

5 Lazzaro Spallanzani ( 1799) und später Louis Pasteur (1861) zeigen, dass sich in sterilen ährlösungen keine Mikroorganismen bilden. Jedes Lebewesen ist der achkomme anderer Lebewesen. Deshalb werden heute keine Kälber mehr für die Seidenraupenzucht geschlachtet.

Aber wie und wann entstand das erste, das einfachste Lebewesen? harles Darwin prägt den Mythos der shallow tidal ponds auf Deutsch die Ursuppe. S. 12/13 Die Ur-Landschaft.

6 Aber wie und wann entstand das erste, das einfachste Lebewesen? harles Darwin prägt den Mythos der shallow tidal ponds auf Deutsch die Ursuppe. S. 12/13 Die Ur-Landschaft...In irgendeinem noch unbekannten Augenblick der Urzeit erscheint das erste Leben: Algen überziehen den feuchten Fels mit ihrem Grün. Sind kleine Lebewesen wirklich einfacher als große?

7 Blick in eine einfache (!) Zelle Die richtige zeitliche und räumliche Kombination von Lipiden, Aminosäuren, Kohlenhydraten und ukleinsäuren ist essentiell für das Leben. TGAGAATATTGAT DA transcription UGAGAAUAUUGAU mra Transkription DA wird abgelesen 10 6 fache Vergrößerung PEPTID translation Protein

8 Jede Zelle ist eine komplexe Fabrik TGAGAATATTGAT Alle Lebewesen... benutzen die selben vier ucleobasen in ihrem genetischen ode, benutzen die selben 20 L-Aminosäuren in ihren Proteinen, benutzen D-konfigurierte Zucker, benutzen Adenosintriphosphat als Energieträger. Wann lebte unser letzter gemeinsamer Vorfahr? Gab es einst weitere Lebensformen? Gibt es ein molekulares Modell?

9 Beispiel Erbsubstanz Deosxyribonukleinsäure (DA) 10-millionenfach 30-millionenfach vergrößerte DA Zucker, Phosphat und die ucleobase müssen richtig zusammengesetzt werden um die Doppelhelix zu bilden. hne ein molekulares Modell für die Entstehung von Stoffwechsel und Vererbung gibt es keine plausible Alternative zum Schöpfungsmythos.

10 Wie wurde aus der Kombination unabhängiger chemischer Reaktionen ein komplettes Lebewesen? rganische hemie Formose-Reaktion -eterocyclen Strecker-Synthese Polyphosphate Fe, S, FeS 2 Biochemie Glycolyse, itratcyclus DA/RA Transkription Porteinbiosynthese ATP, Energieträger Stoffwechsel Präbiotische hemie Ursprung des Lebens Zeit Letzter gemeinsamer Vorfahr

11 Die Erdgeschichte als Kreisdiagramm vorher: abiotisch, unbelebte atur präbiotisch: Innerhalb eines ergeschichtlich kurzen Zeitraums entstehen erste Lebensformen nachher: biotisch, Lebewesen verändern die Welt, Evolution

12 Bis zu dem Zeitpunkt vor 3.8 Milliarden Jahren und ab dem Zeitpunkt gibt es gute Erklärungsmodelle. Die Astrophysik beschreibt die Situation auf der Urerde, das Universum und die Sterne. Alles brennt und strebt dem thermodynamischen Minimum zu. Die Biologie beschreibt die Evolution neuer Lebensformen. Alles geordnet und die Komplexität der Lebewesen nimmt zu. Wie kam es zu dieser Umkehr?

13 Schalenbrennen in Superriesen: So entstehen Elemente e e Mg Si Fe

14 ochmolekulare Verbindungen entstehen spontan in der Umgebung von Sternen Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PA) 1 m Vor dem Verlassen der Umgebung des Sterns überzieht sich Silicat mit Schicht aus Eis, Ammoniak und kohlenstoffhaltigen Verbindungen. In der ähe anderer Sterne initiiert UV-Strahlung Radikalbildung und Synthese neuer Verbindungen wie 3 2, 3. S. Kwok, ature 2004, 430, 9085

15 Wichtige Moleküle des Lebens finden sich in Meteoriten Aminoacids arbohydrates Pyrimidines Purines 60 ppm

16 Sind das entscheidende Schritte in der molekularen Evolution oder ist das nur organischer Müll? Synthese von Aminosäuren 1 m Gaschromatogramm nach 24 h Bestrahlung eines Gemisches von 2 / 3 / 3 / / 2 (2:1:1:1:1) G. M. Munoz aro et al., ature 2002, 416, 403

17 Das Miller-Urey Experiment Eine künstliche Urerde im Labor: Die Atmosphäre enthält 2 0, 2, 4, 3. Entladungen simulieren Blitze und gekocht hat es wohl auch damals ein innovatives Experiment S.L. Miller Science 117 (1952) J. Am. hem. Soc. 77 (1955)

18 ach einer Woche findet man viele Biomoleküle in der «Ursuppe» und die %-Zahlen ähneln denen von einfachen Lebewesen. Was dabei sonst noch alles entsteht, wird meist nicht aufgelistet. Wo ist hier die Selbstorganisation der Materie oder eine Form von Stoffwechsel? Weil man alles findet, beweist das Miller-Urey- Experiment nichts.

19 ligomere Ribonukleotide (RA) sind die ursprünglichsten Biopolymere, denn RA ist: Informationsspeicher, sie kann katalytisch aktiv sein und sie ist fähig zur autokatalytischen Replikation. 2 P? Ribose + + Phosphat = (oder A, U, G)

20 Präbiotische Synthese von Kohlenhydraten Die Formose-Reaktion 2 ( 2 ) n Dabei bildet sich ein Gemisch zahlloser Kohlenhydrate. (n = 1, 2, 3, 4, 5 ) mit unterschiedlicher Stereochemie. Borate oder andere Mineralien beeinflussen die Gleichgewichtslage. Präparativ unbrauchbar, da viele falsche Moleküle neben wenigen brauchbaren Molekülen gebildet werden. Deshalb ist die Bedeutung der Formose-Reaktion für die präbiotische hemie zweifelhaft.

21 2 2 Präbiotische Synthese von DA-Basen yclisierung von, arnstoff und yanoacetaldehyd Adenin Guanin 2 Auch präparativ unbrauchbar, da sich nur Molekülgemische bilden. Wiederum zweifelhafte Bedeutung für die präbiotische hemie. analog Das thermodynamisch stabilste Produkt in Gegenwart von Wasser ist die arnsäure ytosin Mit anderen Aminen könnte sich sogar Koffein bilden!

22 Wie werden die richtigen Molekülpaare in der korrekten Stereochemie verknüpft? 2-2 2? Es ist etwas faul an den bisherigen Erklärungsversuchen: Dabei entstehen zu viele falsche Moleküle mit falschen Verknüpfungen.

23 Wurden über Jahrzehnte die falschen Reaktionen untersucht? Ist eine stereospezifische Synthese von Ribonucleotiden ohne spezielle Enzyme überhaupt möglich? Me Ja, aber die Schutzgruppen der rganischen Synthese gab es erst 3,8 Mrd. Jahre später. Me P PG M.. arruthers Acc. hem. Res. 1991, 278

24 Selektive Synthese eines aktivierten ucleotids unter präbiotischen Reaktionsbedingungen - ohne Schutzgruppen M. W. Powner, B. Gerland, J. D. Sutherland, ature, Vol 459, S May 2009 Ein fundamental anderer Erklärungsversuch: ytidin bildet sich nicht aus Ribose und ytosin!

25 Selbstorganisation von Buchstaben von Silben von Wörtern I D T I Y I T D Y YTI DI YTIDI P 2

26 I D T I Y 2 I T D Y YTI DI 2 YTIDI P 2

27 I D T I Y I T D Y Formose- Reaktion YTI DI 2 YTIDI P Purine, Pyrimidine

28 I D T I Y 2 2 I T D Y 2 YTI DI 2 Buchstaben und Silben sind nicht die Bausteine, sondern Das richtige Wort bildet sich erst im letzten Schritt. YTIDI YTIDI YTIDI P 2

29 2 Arabinose! 2 yanoacetylen Anhydro-arabinonucleosid P 2-Amino-oxazol Glycolaldehyd 2 yanamid P P P

30 Arabinose! 2 yanoacetylen Anhydro-arabinonucleosid P 2 achbargruppeneffekte bilden eine Voraussetzung für die -selektive Glycosylierung. Ähnliche Effekte nutzt man auch bei der Laborsynthese von ucleotiden. P

31 Durch Experimente bei denen alles entsteht, kann man alles erklären oder auch nichts. 1 m Selektive chemische Reaktionen ohne Schutzgruppen haben sinnvolle (Labor-)Anwendungen und lassen sich vielleicht zu einem Katalysezyklus (Stoffwechsel) verknüpfen.

32 Ist die Wolke etwas durchsichtiger geworden? rganische hemie Biochemie Präbiotische hemie Ursprung des Lebens Zeit Letzter gemeinsamer Vorfahr

33 Vielen Dank! Pierre Pomet - Materialien- u. aturalien-magazin, 1727 Leipzig, Verlag M. G. Weidmann

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