Präbiotische Chemie - Uni

DNA und Präbiotische Chemie
Deaminierung C zu U
Mutationen: silent (CTG zu CTC = Leucin), missense [GAG (Glutaminsäure) zu GUG (Valin)] oder
nonsense (GCT zu ACT = Stop codon)
50 Jahre Entdeckung genetische Code durch M.W. Nierenberg (AC11,9718)
Präbiotische Chemie = Selektive Chemie ohne Schutzgruppen
Synthese eines aktivierten Nukleotids aus einfachen Molekülvorläufern ohne Schutzgruppen
Formosereaktion ist wenig brauchbar im Labor und ein unzureichender Erklärungsversuch für die
Entstehung von Zuckern in der Natur, da keinerlei Diastereoselektivität. Die bevorzugte Bildung von
cis-Diolen in Form cyclischer Borate (Steve Benner) ist eine thermodynamische Sackgasse: Zu
hohe Stabilität, da fehlende Aktivierung.
Nachbargruppeneffekte bilden die Voraussetzung für schutzgruppenfreie aber trotzdem selektive
Synthesen im Labor. Nachbargruppeneffekte liefern eine nachvollziehbare Theorie für die Bildung
aktivierter Nucleotide in der chemischen Evolution. Aktiviertes Cytidin aus Cyanamid (Nature 2009,
Vol 459, 239).
Woher kommt die Homochiralität in der Natur? Auch zu dieser mehr akademischen Frage wurden
nützliche (lehrreiche) Labormodelle entwickelt: Chirale Verstärkung am Beispiel Diethylzink +
Benzaldehyd, asymmetrische Autokatalyse, Soai-Reaktion
Frage
Erklären Sie den Begriff „Punktmutation“ an der Nucleobase Cytosin, zeichnen Sie
Molekülstrukturen
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)
sind die ursprünglichsten
Biopolymere, denn RNA ist:
Informationsspeicher, sie kann
katalytisch aktiv sein und sie ist fähig zur
autokatalytischen Replikation.
NH2
O
HO
OH
HO
N
O
HO
N
H
OH
Ribose
+
C
O
+
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!
Armin Geyer OC 4