Aus Staub geboren Das Leben als kosmische Zwangsläufigkeit Christian de Duve David Imre
Autor Christian René de Duve (*2.Okt 1917, England, Surrey, Thames Ditton) Medizinstudium bis 1941 Belgischer Biochemiker Forschung an Struktur und Funktion der Zelle 1974: Nobelpreis für Physiologie und Medizin
Einleitung Wie entsteht Leben?: Leben ist ein zwangsläufiger Ausdruck der Kombinationseigenschaft von Materie. Aus Staub geboren: chemische Elemente - Bausteine des Lebens - Leben - menschlicher Geist
Leben Bezug auf irdisches Leben Einheit des Lebendigen (Ähnlichkeit in Materialien und Funktionsprinzipien, Verwandtschaften) also: Übereinstimmungen Protostoffwechsel mit heutigem Stoffwechsel
Zeitrahmen Bakterien als älteste nachweisbare Form des Lebens (Stromatolithen, Mikrofossilien): ca. 3.5 Myr Obergrenze vor ca. 4 Myr - Erde ausreichend zur Ruhe gekommen Vermutung erstes Lebewesen: vor ca. 4.0-3.8 Myr (Kerogen - 12 C Anreicherung)
Stromatolithen
Wiege des Lebens auf der Erde? Panspermie? aber: Leben befindet sich heute auf der Erde und wichtiger: Frage nach der Entstehung des Lebens durch Panspermie nicht gelöst
Vorsehung vs. Sinn heutige Komplexität des Lebens verleitet oft zum Schöpfungsglauben aber: natürliche Selektion! und: viele kleine sinnvolle Schritte (auch ein Airbus 380 ensteht nicht in einem Schritt)
Aufbau des Buches 7 Kapitel/Zeitalter: Chemie (Bausteine, Energie, Verbindung) Information (informationstragende Moleküle) Protozelle (erste lebende Gebilde mit Membran) Einzeller (prokaryotisch, eukariotisch) Vielzeller (Zellverbände, Musterbildung, Zusammenarbeit,...) Geist (Mensch) Unbekanntes (Zukunft)
Zeitalter der Chemie 1. Die Suche nach den Ursprüngen (Bausteine des Lebens) 2. Die ersten Katalysatoren des Lebens (Verbindungsmechanismen) 3. Der Treibstoff des entstehenden Lebens (Energieversorgung) 4. Die RNA betritt die Bühne (Weg zur RNA)
Bausteine des Lebens Hauptelemente der organischen Materie: CHNOPS diese bauen komplexe organische Moleküle auf, z.b.: Aminosäuren (Proteine) Nucleotide (RNA) Ester, Thioester
Urerde Bombardment lässt nach, aber starker Vulkanismus Ozeane entstehen kein O, aber z.b. H2S keine biologischen Abbauprozesse Problem: Phosphor (Calciumphosphat - Apatit)
Urey-Miller Annahme: Wasserstoff (H2), Methan (CH4), Ammoniak (NH3) und Wasserdampf (H2O) + Blitze Ergebnis: Bildung von Aminosäuren Experiment umstritten aber: Bausteine des Lebens sind entstanden!
Aminosäuren Aminosäuren sind wichtige Produkte der abiotischen Chemie (erste organische Moleküle) Aminosäuren sind Bausteine der Proteine Proteine sind wichtige biologische Bausteine
Protein oder RNA? Was war zuerst: Protein oder RNA? Bauplan für Proteine aus RNA aber: Entstehung der RNA heute nur mittels Enzymproteinen RNA-Moleküle haben auch katalytische Eigenschaften (Ribozyme) also: RNA vor Protein ( RNA-Welt ) (erst der Bauplan, dann das Gebäude) aber: Weg von Bausteinen zu RNA unklar
Aufbau der RNA Bausteine der RNA: Nucleotide (bestehend aus Phosphat, Ribose und Base) Basen: Adenin, Guanin, Cytosin, Uracil aus C, N, H, O (Adenin kein O) Phosphat und Ribose bilden Bindungskette, also nur Strukturaufgabe: Phosphat Ribose Phosphat Ribose Phosphat Ribose Base Base Base
Stoffwechsel Stoffwechsel ist eine Abfolge von Reaktionswegen, gesteuert durch Enzyme (wichtig: Übereinstimmung mit Protostoffwechsel) Enzyme sind die Katalysatoren der Gegenwart Problem: Enzyme sind Proteine, also was waren die ersten Katalysatoren?
Katalysatoren Katalysatoren: Substanzen die zur Verbindung von bestimmten Molekülen führen heute: Enzyme werden durch Hilfssubstanzen unterstützt, meist Metalle (Fe, Cu, Zn,...) also: Metalle/Minerale haben katalytische Eigenschaften in präbiotischer Umgebung: z.b. Aluminiumsilikate (Tone), Pyrit (Katzengold)
Peptide jedoch: Protostoffwechsel ganz ohne Proteine (Enzyme) schwer denkbar Vorläufer der Proteine sind die Peptide Bausteine der Peptide sind ebenfalls Aminosäuren, aber ohne RNA-Bauplan
Thioester Präbiotische Synthese von Peptiden Thioester als Zwischenschritt: 1. Verbindung Säure mit Thiol (=Coenzym A) (Thioester) 2. Verbindung Säure mit Alkohol (Ester) Gruppenübertragungsreaktion (wichtig für Proteine, Nucleinsäuren, Fette,...) Aminosäure-Thioester Peptide! (ohne Katalysator)
Thioester Thioester spielen für die Entwicklung des Lebens eine entscheidende Rolle: 1. Übereinstimmung (Thioester sind auch heute wichtig) 2. Thiolgruppe stammt vom H2S (Urerde) Auch Proteine durch Gruppenübertragung (aber aus Estern zwischen Aminosäuren und RNA-Molekülen)
Treibstoff des Lebens nicht nur Bausteine auch Energie Energiequellen auf präbiotischer Erde: Sonnenlicht (UV) elektrische Entladungen Druckwellen Wärme
Membran heutige Energienutzung der Lebewesen: 1. komplexe Substanzen (z.b. Chlorophyll) 2. innerhalb Membran also: komplexe Gebilde Vermutung: zu komplex für frühe Entwicklungsstufe Anfänge ohne Membran?
Überschüssiges Wasser Viele biologische Vorgänge sind Kondensationsreaktionen, d.h. Wasser wird entzogen in wässriger Umgebung ist das ein energieverbrauchender Prozess Antwort der Natur: Adenosintriphosphat
ATP Adenosin ist Verbindung aus Adenin und Ribose Anlagerung eines Phosphatmoleküls an das Adenosin ergibt Adenosinmonophosphat AMP (Nucleotid der RNA) + zweite Phosphatgruppe = ADP + dritte Phosphatgruppe = ATP ATP fördert Kondensationsreaktionen, d.h. es entzieht Wasser
ATP im Protostoffwechsel noch nicht vorhanden (zu komplex) aber: anorganisches Phosphat kann die gleichen grundlegenden Aufgaben erfüllen Thioester interessante Alternative (energetisch dem ATP äquivalent) - und präbiotische Bedingungen sprechen dafür
Welt der Thioester präbiotische Synthese von Thioestern ist denkbar (aber unbelegt) Protostoffwechsel könnte durch Thioester in Gang gehalten worden sein somit: möglicher Vorläufer zur RNA-Welt (RNA-Protein-Welt)
Zusammenfassung Aminosäuren als erste organische Moleküle entstehen aus chemischen Elementen Peptide entstehen durch Gruppenübertragungsreaktionen aus Aminosäuren RNA entsteht (Zwischenschritt unklar) Proteine entstehen aus Aminosäuren mittels RNA-Bauplan
Quellen Titelbild: http://www.geneshun.com/ image/dna%20pic2.jpg Bild des Autors: http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1974/duve.jpg Stromatolithen: http://lamaisondalzaz.files.wordpress.com/2009/07/stromatolithesprecambriens-montana.jpg Miller: http://1.bp.blogspot.com/_fpkxnrautju/swaedwo1hri/aaaaaaaaab0/ pbxbyz2dzjk/s1600/i11-40-smiller.jpg Literatur: Aus Staub geboren - Das Leben als kosmische Zwangsläufigkeit (orig. Vital Dust - The Origin and Evolution of Life ), Christian René de Duve 1995 ( Einleitung, Das Zeitalter der Chemie )