Evolution: Entstehung des Lebens (Präbiotische Chemie)

Interessierte: Entstehung von Nukleinsäuren

Inhalt

In diesem Artikel wird der Aufbau der DNS geschildert und es werden Hypothesen über deren Entstehung und Zusammenlagerung unter Ursuppen-Bedingungen diskutiert.

Aufbau von Nukleinsäuren

Synthese von Zucker

Stickstoffbasen

Von den Einzelbausteinen zur RNS und DNS

Neben den Proteinen sind die Nukleinsäuren grundlegend wichtige und unverzichtbare Makromoleküle in den Zellen der Organismen. Unter Makromolekülen versteht man chemische Verbindungen mit hohem Molekulargewicht, die aus vielen ähnlichen Einzelbausteinen bestehen (vgl. den einleitenden Abschnitt von Entstehung von Proteinen).

Aufbau von Nukleinsäuren

Die Nukleinsäuren (DNS und RNS) sind kettenförmige Moleküle und aus drei unterschiedlichen Bausteintypen aufgebaut (Abb. 117): Zucker, Phosphorsäure und Stickstoffbase (Stickstoffheterozyklus). Die Zucker (Ribose bzw. Desoxyribose) sind über eine Phosphodiesterbrücke verknüpft und bilden sozusagen das Rückgrat der Nukleinsäuren (vgl. Abb. 117). Die Stickstoffbasen sind jeweils über ein Stickstoffatom mit einem C-Atom der Zucker des Rückgrats verbunden und gewährleisten den Zusammenhalt der beiden Einzelstränge durch Wasserstoffbrücken (Abb. 180). Zur Synthese dieser RNS- und DNS-Bausteine unter präbiotischen (=vor der Existenz von Leben) Bedingungen gibt es eine Reihe von Hypothesen. Was ist über die Möglichkeit einer präbiotischen Synthese von Nukleinsäuren bekannt? Wir befassen uns zunächst mit Hypothesen zur Entstehung die Einzelbausteine, um anschließend der Frage nachzugehen, wie aus diesen die DNS- bzw. RNS-Ketten entstehen könnten.

Synthese von Zucker

Zur Synthese der Zucker wird auf die sog. Formose-Reaktion verwiesen. Dabei entstehen in wässriger alkalischer Formaldehydlösung Produkte mit süßem Geschmack. Genauere experimentelle Untersuchungen offenbaren jedoch enorm große Schwierigkeiten, auf diesem Wege zu weiter verwertbaren Zuckermolekülen zu gelangen. Das hat folgende Gründe:

• Formaldehyd ist sehr reaktiv und verbindet sich rasch mit Stickstoffverbindungen, gerade auch mit solchen, welchen bei der Synthese der Stickstoffbasen (s. u.) große Bedeutung zugemessen wird.
• Formaldehyd wird in den publizierten Simulationsexperimenten in Konzentrationen und in einer Reinheit eingesetzt, deren Auftreten unter präbiotischen Bedingungen bisher nicht plausibel gemacht werden konnte.
• Die Formose-Reaktion liefert ein heterogenes (=uneinheitliches) Produktgemisch, in welchem Ribose-Zucker nur in sehr niedriger Konzentration vorkommt. Bis heute liegt keine Idee vor, wie unter präbiotischen Bedingungen Ribose gezielt isoliert werden könnte. Selbst im Labor, wo alle zur Verfügung stehenden Trennmethoden eingesetzt werden können, ist das ein aufwändiges Unterfangen.
• Kinetische Untersuchungen (=Untersuchungen über den zeitlichen Verlauf der Reaktion) zeigen, dass in der Formose-Reaktion diejenige Gruppe von Zuckern, denen die Ribose zugeordnet wird (Aldopentosen), zwar zu Beginn der Reaktion entsteht, aber schon nach kurzer Reaktionszeit wieder zerfällt. Wenn die Reaktion richtig startet, ist die Menge an Aldopentosen schon wieder ganz gering (Abb. 181).

1990 veröffentlichten Eschenmoser und Mitarbeiter eine Synthese für eine Riboseverbindung (Ribose-2,4-biphosphat) in einer bisher unerreichten Ausbeute von 33%. Bis heute wurde jedoch noch nicht gezeigt, dass die eingesetzten Ausgangsverbindungen und die Reaktionsbedingungen mit unspezifischen präbiotischen Randbedingungen verträglich sind. Die Ausgangsverbindungen werden in mehrstufigen Synthesen hergestellt, wobei auch wasserfreie Lösungsmittel eingesetzt werden müssen. Bisher fehlt also eine selektive Synthese für Ribose unter Ursuppenbedingungen.

Neben den offenen Fragen hinsichtlich der präbiotischen Synthese der Zucker bereitet auch noch deren geringe chemische Stabilität Schwierigkeiten. Die Halbwertszeit (=Zeit, in der die Hälfte des Materials umgewandelt wird) für Ribose beträgt unter günstigen Bedingungen 44 Jahre. Diese Lebensdauer ist gemessen an langen geologischen Zeiten sehr kurz, d.h. sie steht unter präbiotischen Bedingungen nach Synthese und Isolierung für weitere chemische Reaktionen praktisch nicht zur Verfügung. In dieser Situation sind postulierte lange Zeiten kontraproduktiv. Manche Forscher ziehen daraus die Schlussfolgerung, dass Ribose und andere Zucker nicht Bestandteil des ersten genetischen Materials gewesen sein können.

Stickstoffbasen

Die Synthese der Stickstoffbasen ist durch Addition weniger HCN-Moleküle möglich (HCN = Cyanwasserstoff, Blausäure). Auf diesem Weg konnte Adenin in sehr geringer Ausbeute hergestellt werden. Doch auch hier treten bei detaillierter Betrachtung erhebliche Schwierigkeiten bei der Synthese der RNS-Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil auf (vgl. Abb. 182). Für Adenin, die am einfachsten unter präbiotischen Bedingungen durch Addition von 5 HCN-Molekülen zu synthetisierende Base (Abb. 183), wird die Lebensdauer unter möglichst schonenden Bedingungen in der Größenordnung von hundert Jahren angegeben – wieder viel zu wenig, um über längere Zeit für weiterführende Reaktionen zur Verfügung stehen zu können. Adenin weist in seiner Struktur mehrere Positionen auf, an denen weitere Reaktionen ablaufen, d.h. wenn Adenin unter Ursuppenbedingungen synthetisiert ist, wird es durch weitere Umsetzungen in andere Produkte umgewandelt und steht damit für die Bildung von Nukleinsäuren nicht zur Verfügung.

Die Synthese der anderen Basen bereitet noch größere Schwierigkeiten. Für Guanin wird eine unrealistisch hohe HCN-Konzentration benötigt, um wenigstens eine Zwischenverbindung mit einer Ausbeute von weniger als 0,1% zu erhalten. Die Anwesenheit von Formaldehyd, dem für die Synthese der gleichzeitig benötigten Zucker (s. o.) eine zentrale Bedeutung zugeschrieben wird, verhindert die erwünschte Reaktion von HCN, weil dieses durch Reaktion mit Formaldehyd abgefangen wird und somit nicht mehr zur Verfügung steht.

Für die Synthese von Cytosin und Uracil wurden Reaktionen mit hohen Harnstoff-Konzentrationen vorgeschlagen. Die hohen Konzentrationen stellen erhöhte Ansprüche an die präbiotischen Modelle und erfordern viel Zeit (periodisch trockenfallende Lagunen). In dieser Zeit werden die anderen Komponenten jedoch schon wieder zerstört.

Man kann also festhalten: Die präbiotische Synthese der RNA- und DNA-Basen unter unspezifischen Ursuppen-Bedingungen ist unverstanden. Zudem ist die chemische Stabilität der Verbindungen gering, was die Plausibilität der präbiotischen Nukleotidsynthese weiter herabsetzt. Shapiro (1996) zieht folgendes Resümee: „Die Befunde, die gegenwärtig zur Verfügung stehen, bestätigen die Idee nicht, dass RNS oder ein alternatives Replikationssystem unter Benützung der RNS-Basen am Beginn des Lebens beteiligt war."

Von den Einzelbausteinen zur RNS und DNS

Wie gezeigt, ist die Entstehung der für die Bildung von RNS- und DNS-Molekülen notwendigen Nukleotide unter Ursuppenbedingungen bislang experimentell nicht nachvollzogen worden. In Experimenten, die eine Zusammenlagerung (Kettenbildung) der Nukleotide zu Nukleinsäuren (RNS- oder DNS-Molekülen) plausibel machen sollen, müssen daher Bausteine eingesetzt werden, die nicht unter präbiotischen Bedingungen entstanden sind, sondern unter kontrollierten Laborbedingungen synthetisiert wurden.

Dazu liegen umfangreiche experimentelle und theoretische Studien vor, in welchen gezeigt werden soll, wie kurze und längere Nukleinsäureketten (Oligo- und Polynukleotide) aus den einzelnen Bausteinen (Nukleotiden) aufgebaut werden können. Die dafür eingesetzten Nukleotidverbindungen sind jedoch sehr komplex aufgebaut, damit sie überhaupt reagieren und ihre Reaktion darüber hinaus auch in der erwünschten, spezifischen Weise erfolgt. So wurden z.B. an der 5-Position der Ribose verschiedene Imidazol-Verbindungen angebracht (s. Abb. 184). Imidazol-Verbindungen hatten sich als geeignete Aktivierungs- und Abgangsgruppen erwiesen. Mit solchen Ausgangsverbindungen erhält man jedoch neben den gewünschten 3’-5’-verknüpften Nukleotiden auch solche mit 2’-5’-Verknüpfungen. Damit sind diese Nukleotidbausteine nicht mit einfachen, präbiotischen Bedingungen verträglich. In anderen Arbeiten werden aufgrund dieser Schwierigkeiten zum Aufbau von Nukleinsäureketten Trinukleotide eingesetzt, ohne dass jedoch gezeigt worden wäre, wie man diese erhalten kann.

In anderen Versuchen wurden zur Simulation erster Replikationsschritte (=Vervielfältigung) kurze Oligonukleotide als Matrizen zur gesteuerten Synthese zugegeben (Template-Synthesen). Unter den bisher angewendeten Bedingungen führten sie jedoch nur zu Produkten mit bescheidener Kettenlänge (weniger als 50 Nukleotide). Bei Template-Synthesen treten neue Schwierigkeiten auf. Eine der Schwierigkeiten besteht darin, dass die Stickstoffbasen auf zwei unterschiedliche Weisen mit Ribose verknüpft sein können (α- und β-glykosidische Bindung, Abb. 185). Bei der chemischen Synthese treten beide Verknüpfungsmöglichkeiten im Verhältnis 1:1 auf. In den natürlichen Nukleotidketten finden wir ausschließlich β-verknüpfte Nukleotide. α-Nukleotide unterbinden ein Kettenwachstum in Templat-Synthesen. Da jedoch bislang ungeklärt ist, woher die Matrizen überhaupt kommen sollen, sind Template-gesteuerte Synthesen für Lebensentstehungsmodelle derzeit ohnehin nicht von Bedeutung.

Literatur

R. Junker & S. Scherer (2001) Evolution - ein kritisches Lehrbuch. Gießen, Kapitel IV.8

Autor: Harald Binder, 21.10.2004

 
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