DNA + Präbiotische Chemie

Die Chemie
der DNA
Die Doppelhelix der 2 -Desoxyribonukleinsäure (engl. deoxyribonucleic
acid) ist auf Histone (basische Strukturproteine) aufgewickelt, welche sich
zu supramolekularen Überstrukturen
organisieren, die als Chromosome im
Mikroskop sichtbar sind.
A Geyer OC4 2011
Das Schmelzen der Sekundärstruktur ist bei allen Biopolymeren ein kooperativer
(im Gegensatz zu gradueller) Prozess
Groß genug für die direkte Beobachtung!
Spektroskopische Charakterisierung
AA
Geyer
Geyer
OC4
OC4
2011
2011
Kooperativität
Reversibles
Schalten
zwischen zwei
Zuständen
(hier: dsDNA
vs ssDNA)
oder graduelle
Änderung?
Weitere Einflüsse, die dsDNA
aufschmelzen (= denaturieren):
Hoher pH-Wert (> 11.5),
Niedrige Salzkozentration,
etc.
Weitere physikalische Parameter
zur Unterscheidung von ss und ds
DNA:
Chemische Verschiebung 1H-NMR
optische Rotation,
Sedimentationskoeffizient,
spezifische Viskosität,
etc.
A Geyer OC4 2011
Auch im 1H-NMR kann man das kooperative Schmelzen des DNA-Doppelstrangs
beobachten. Dabei wandern alle Signale im 1H-NMR innerhalb eines schmalen
Temperaturbereichs.
Auftragung der chemischen Verschiebung ausgesuchter Basenprotonen gegen die
Temperatur
zur Ermittlung der Schmelztemperatur der DNA am Beispiel eines Dodecamers.
(aus Patel D. J.; Pardi A.; Itakura K. Science 1982, 216, 581-590)
A Geyer OC4 2011
B-DNA rechtsgängige Doppelhelix
A Geyer OC4 2011
DNA: Desoxyribonukleinsäure
In der Erbsubstanz DNA spielen Wasserstoffbrücken bei
der molekularen Erkennung eine besondere Rolle
N
Kooperative molekulare
Erkennung:
Sobald sich ein Paar
gefunden hat, verhält sich
das System wie ein
Reissverschluß und die
anderen Paare finden sich
fast wie von selbst.
Gibt es weitere Möglichkeiten zur Basenpaarung in der DNA?
A Geyer OC4 2011
In einer Tripelhelix bindet der dritte Strang in die große Furche der
Doppelhelix und bildet dort zusätzliche H-Brücken mit den Nucleobasen.
Dies wird als Hoogsteen-Basenpaarung bezeichnet.
A Geyer OC4 2011
Digitalisierung von Information
Speicherung enormer Datenmengen mit wenigen Zeichen
Computer: 0, 1
4-Bit Binärcode
DNA: A, T, C, G
Der genetische Code:
Drei Basenpaare kodieren eine
Aminosäure: 64 mögliche Zeichen
A Geyer OC4 2011
Laborchemie
Zellchemie
Sequentielle Änderung der chemischen
Umgebung
Parallele Reaktionen, Netzwerke,
Fließgleichgewicht
Selektivität durch getrennte
Reaktionskolben
Selektivität durch molekulare Erkennung
Semipermeable Membranen
batch-weise Zugabe der Reagentien
1 bar, RT, enger pH-Bereich
Variation Lösemittel, pH, Temperatur,
Druck
mRNA, trRNA, Ribosomen, Proteine
D. S. Goodsell Sci. Am. 2000, 230
A Geyer OC4 2011
Blick in eine Zelle
Die richtige zeitliche und räumliche
Kombination von Lipiden, Aminosäuren,
Kohlenhydraten und Nukleinsäuren ist
essentiell für das Leben.
CCTGAGCCAACTATTGAT
DNA
transcription
CCUGAGCCAACUAUUGAU
mRNA
translation
106 fache Vergrößerung
Transkription
DNA wird abgelesen
A Geyer OC4 2011
PEPTID
Protein
Transkription der Erbsubstanz Desoxyribonukleinsäure (DNA)
1-millionenfach
10-millionenfach
30-millionenfach vergrößerte DNA
DNA-Doppelhelix
DNA-Basenpaarung
DNA-Einzelstrang
A Geyer OC4 2011
Translation der messanger-RNA (mRNA)
Ribosom
http://www.rcsb.org/pdb/
106 fache Vergrößerung
Translation
mRNA wird in Proteine übersetzt
A Geyer OC4 2011
DNA ist stabiler gegen Hydrolyse als RNA.
In der Zelle ist dieser Unterschied noch
größer, da RNasen die Hydrolyse von mRNA
katalysieren.
A Geyer OC4 2011
DNA ist der Bauplan, Proteine führen die zellulären Funktionen aus.
Synthetische Liganden (Medikamente) können auf jeder Stufe der Proteinbiosynthese
eingreifen und so die Entwicklung eines unerwünschten Organismus stören (Antibiotikum)
oder Krebszellen an der Vermehrung hindern (Cytostatikum)
A Geyer OC4 2011
1953
Die supramolekulare Chemie der DNA ist inzwischen
so gut verstanden, dass man sie in beliebigen
Formen aggregieren lassen kann: Origami
Von diesem strukturellen
Verständnis ist man bei
Proteinen noch weit
entfernt. Es gibt (noch)
kein Protein-Origami.
2007
A Geyer OC4 2011
O
O
O P O
HN
O
B
B
N
O
Peptide-Nucleic acid (PNA) ist ein chemisch vereinfachtes
Strukturmodell für DNA
O
Das Oligoamid-Rückgrat trägt die Nucleobasen, die wie bei
der DNA-Synthese geschützt sein müssen
Base = T, CCbz, ACbz, GBn,
O
O
HN
O P O
O
B
N
O
B
O
O
HN
O
PNA bildet selbst keine Doppelstränge, es bindet jedoch DNADoppelstränge zu tripelhelikalen Strukturen. Auf dieser Basis versucht
man Medikamente zu entwickeln.
A Geyer OC4 2011
A Geyer OC4 2011
Die Entschlüsselung des genetischen Codes
DNA
poly-U
transcription
mRNA
translation
Protein
poly-Phe
Quelle
„Der Spiegel“ 2011
Wie wurde aus der Kombination unabhängiger chemischer
Reaktionen ein komplettes Lebewesen?
Alle Lebewesen benutzen die selben vier
Nucleobasen in ihrem genetischen Code,
die selben 20 L-Aminosäuren in ihren Proteinen,
wenige meist D-konfigurierte Zucker und
Adenosintriphosphat als Energieträger.
Gab es einst weitere Lebensformen?
Es gibt (noch) keine Erklärung.
Jede Zelle ist eine komplexe Fabrik
Organische Chemie
Biochemie
Formose-Reaktion
N-Heterocyclen
Strecker-Synthese
Polyphosphate
Fe, S, FeS2
Glycolyse, Citratcyclus
DNA/RNA Transkription
Proteinbiosynthese
ATP, Energieträger
Stoffwechsel
Zeit
Präbiotische
A Geyer OC4 2011 Chemie
Ursprung
Des Lebens
Letzter gemeinsamer
Vorfahr
Präbiotische Chemie –
Die chemische Evolution
Wie, wann und wo entstand das
erste, das einfachste Lebewesen?
Charles 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?
Armin Geyer OC 4
Das Miller-Urey Experiment
Eine künstliche Urerde im Labor:
Die Atmosphäre enthält H20, H2, CH4, NH3.
Entladungen simulieren Blitze und gekocht
hat es wohl auch damals.
1952 war das ein
innovatives Experiment
S.L. Miller
Science 117 (1952) 528-529
J. Am. Chem. Soc. 77 (1955) 2351-2361
Armin Geyer OC 4
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
H2O / CH3OH / NH3 /
CO / CO2 (2:1:1:1:1)
G. M. Munoz Caro et al., Nature 2002, 416, 403
Armin Geyer OC 4
Mit Experimenten, bei denen
alles entsteht, kann man alles
erklären – oder auch nichts.
z. B.:
Formose-Reaktion
N-Heterocyclen aus HCN
Strecker-Synthese
1 m
Selektive chemische Reaktionen
haben sinnvolle (Labor-)Anwendungen
und lassen sich zu einem Katalysezyklus
oder einem Stoffwechsel verknüpfen.
Chemoselektivität durch Schutzgruppen
oder durch molekulare Erkennung mit
Proteinen
Armin Geyer OC 4
z. B.:
DNA/RNA-Transkription
Porteinbiosynthese
Glycolyse, Citratcyclus
Stoffwechsel
Alle Lebewesen...
benutzen die selben vier
Nucleobasen in ihrem
genetischen Code,
Zentrales Dogma der Biochemie:
CCTGAGCCAACTATTGAT
benutzen die selben 20 LAminosäuren in ihren Proteinen,
DNA
transcription
benutzen D-konfigurierte Zucker,
benutzen Adenosintriphosphat
als Energieträger.
CCUGAGCCAACUAUUGAU
translation
Es gibt keine molekulare
Alternative!
Einzeller weisen eine enorme
Komplexität auf. Mehrzeller sind
nur eine „unbedeutende“
chemische Variation davon.
Armin Geyer OC 4
mRNA
PEPTID
Protein
Oligomere Ribonukleotide (RNA) ist das
ursprünglichste Biopolymer, denn RNA ist
Informationsspeicher, sie ist
katalytisch aktiv und sie ist fähig zur
autokatalytischen Replikation.
Aber wie bildete sich das allererste
RNA-Oligonucleotid?
Waren es wirklich diese drei
offensichtlichen Stoffklassen?
NH2
O
HO
OH
HO
N
O
HO
N
H
OH
Ribose
+
O
C
+
O
P
OH
Phosphat
?
=
(oder A, U, G)
Armin Geyer OC 4
Selektive Synthese eines aktivierten Nucleotids unter präbiotischen
Reaktionsbedingungen - ohne Schutzgruppen
M. W. Powner, B. Gerland, J. D. Sutherland,
Nature, Vol 459, S. 239 14 May 2009
Ein fundamental anderer
Erklärungsversuch:
Cytidin bildet sich nicht
aus Ribose und Cytosin!
(Rechts: x auf blauen Reaktionspfeilen)
Achtung: Die Reaktionen führen
diastereoselektiv zum racemischen Nucleotid
Armin Geyer OC 4