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THEMA: Die molekulare Mechanik als bislang blinder Fleck

Die molekulare Mechanik als bislang blinder Fleck 25 Jun 2019 16:25 #53116

Nach der Lektüre der einschlägigen Stellen im Buch bezüglich der Abiogenese fiel mir auf, dass sehr viel Schwergewicht auf Energiefluss, Molekülsynthese und -anreicherung sowie Schutz vor zerstörerischen Strahlungswirkungen gelegt wurde. Darüber hinaus wurde das Problem aus physikalischer Sicht für gelöst erklärt, da das Prinzip der lokalen Entropiesenkung über Membranhüllen gewährleistet wird, welche die angehäuften Makromoleküle im Innern eines Vesikels festhält.

Überhaupt nicht angerissen wurde die Frage, wie es denn dem ursprünglichen Vesikel und dessen Inhalt gelingt, die Ordnung der Reaktionsabläufe aufrecht zu erhalten, die neben der Stabilität des Vesikels als Ganzem zugleich auch die Komponenten reproduzieren, welche diese stabilisierenden Ordnungsprozesse überhaupt erst realisieren.

Das Problem, welches mit der spontanen Abiogenese verbunden ist, löst sich nicht von selbst, indem sich sukzessive immer mehr Makromoleküle in einem Vesikel anreichern - diese müssen im Zuge der Anreicherung zugleich auch so miteinander wechselwirken, dass dabei eine Struktur höherer hierarchischer Ordnung entsteht, welche als Ganzes wiederum auf die Bedingungen rückkoppelt, über die sich die Komponenten konstituieren, die diese geordnete Struktur hervorbringen und als Fließgleichgewicht stabilisieren.

Dass das Gesamtsystem dann als Effekt die Entropie lokal senkt, indem es unter Energieverbrauch die Entropie der Umgebung äquivalent erhöht, ist ein Resultat dieser Prozesse, auf das Erwin Schrödinger erstmals hingewiesen hat. Aber das Prinzip der lokalen Entropieabsenkung realisiert sich auch durch einen Kühlschrank, der an ein Stromnetz angeschlossen ist. Schrödingers Hinweis greift also zu kurz, um das Wesen des Lebens aus physikalischer Sicht zu erfassen.

Um sich dem Problem anzunähern, wie sich die Lebensvorgänge physikalisch erfassen lassen, genügt es nicht, sich bis zur DNA vorzuarbeiten und aus der "Schlüsselschrift" der Basensequenz das Geheimnis des Lebens als gelöstes Problem zu betrachten. Schon gar nicht lässt sich aus der Struktur von Nucleinsäuren und ihrer abiotischen Entstehung ableiten, dass das Problem der Abiogenese aus physikalischer Sicht geklärt sei, weil über die Nucleinsäuren das Prinzip der lokalen Entropiesenkung realisiert wird.

So simpel stellt sich die Problematik nun doch nicht dar. Zunächst ist festzustellen, dass das koordinierte Zusammenwirken der verschiedenen Moleküle in einer Zelle mehrheitlich ein Effekt verschiedener Enzyme ist. Enzyme sind Proteine und Proteine setzen sich meist aus einer Peptidkomponente zusammen sowie aus einer Nicht-Peptidkomponente, die man auch als prosthetische Gruppe bezeichnet.

Übertragen auf die Verhältnisse zum Beginn des Lebens kann man sagen, dass moderne Enzyme die Bedingungen eines mineralischen Untergrunds imitieren, der diverse spezifische Vertiefungen sowie diverse Verteilungsmuster von Metall-Ionen und hydrophilen und hydrophoben Gruppen aufwies. Relikte stellen z.B. die Fe-S-Cluster in einigen Enzymen dar.

Der Peptidanteil in Enzymen besitzt entsprechend der beteiligten Aminosäurenreste eine bestimmte Faltung, die sich aus der Interaktion mit Wasser ergibt, wobei hydrophile Seitenketten nach außen wandern und hydrophobe nach innen. Die ungefähr kuglige Gestalt weist somit mehrere Furchungen, Hervorstülpungen und Einstülpungen auf. Einige wenige Aminosäurenreste konzentrieren sich an der Stelle, wo die Reaktion erfolgt, die das Enzym ermöglichen soll. Diese Stelle ist das aktive Zentrum.

Das aktive Zentrum ist meist so beschaffen, dass ein bestimmtes Molekül / zwei bestimmte Moleküle festgehalten und chemisch umgeformt (z.B. Gruppentransfer) oder in kleinere Moleküle aufgespalten bzw. zu einem größeren Molekül verbunden wird. Interessant und aufschlussreich für dieses Thema ist hier, dass es sich im Wesentlichen um einen mechanischen Vorgang handelt, bei dem spezifische Molekülformen ineinandergreifen und eine bestimmte mechanische Arbeit verrichtet wird (Übertragen eines Molekülteils auf ein anderes Molekül, Spalten eines Moleküls, Verbinden zu einem Molekül).

Analoge Prozesse müssen sich ebenso während der Abiogenese ereignet haben, nur dass hier kein fixierter Enzymbestand vorgelegen hatte, der mit Hilfe von Nucleinsäuren beliebig oft reproduziert werden konnte. Das Problem, welches mit der Abiogenese verbunden ist, ist also primär kein chemisches - also nicht die Entstehung und Bereitstellung von diversen Makromolekülen aus einfacheren chemischen Vorstufen (Monomere) - sondern ein mechanisches, weil es im Zuge der sukzessive sich steigernden Komplexität zunehmend auf die Bereitstellung passend geformter Moleküle ankam, die infolge ihres passenden Ineinandergreifens Prozesse etablierten, die einen Ordnungszuwachs des Gesamtsystems nach sich zogen.

Vor der Etablierung eines genetischen Codes, der hinreichend robust und zugleich hinreichend spezifisch gewesen ist, um Peptide mit hinreichend ähnlichen Faltungsmustern zu reproduzieren, die für die Aufrechterhaltung des präbiotischen Gesamtsystems einer Protozelle notwendig gewesen sind, war das passende Zusammenfinden passender Moleküle vom Zufall abhängig, da die Sequenzen von Nucleinsäuren (insbesondere RNA, die ebenfalls enzymatische Eigenschaften aufweist) sowie von Peptiden ohne genetische Fixierung frei kombiniert worden sind.

Hier ist das eigentliche Problem zu sehen: Wie gelang es vor der Etablierung eines Mechanismus der genetischen Fixierung von Peptidsequenzen die für die Stabilisierung des Gesamtsystems notwendigen Enzyme hinreichend genau zu reproduzieren? Der Verweis auf die RNA-Welt-Hypothese reicht leider nicht hin, denn auch wenn RNA enzymatische Eigenschaften aufweist und über die Basensequenzen die Möglichkeit einer Fixierung über komplementäre Basenpaarungen besteht, wird der Aufwand für die Bewältigung sowohl der identischen Reproduktion der Ribozyme (als auch der Ribozym-Matrizen!) als auch der verschiedenen Stoffwechselmoderierungen im Gesamtsystem für eine einzelne Molekülklasse schon sehr bald zu groß.

Das zu lösende Problem ist die passgenaue Interaktion zwischen Peptiden (Enzymen) und Nucleinsäuren (Matrizen), wobei eine Aufspaltung der verschiedenen Funktionen (Katalyse und Matrize) auf zwei verschiedene Molekülklassen erfolgen muss im Sinne einer wechselseitigen Unterstützung bei der Reproduktion (Enzyme helfen den Nucleinsäuren, sich zu reproduzieren und umgekehrt helfen die Nucleinsäuren den Enzymen, sich zu reproduzieren). Der Schlüsselmechanismus ist hierbei die Translation - also der Schritt, bei dem mit Hilfe von Basensequenzen der beteiligten RNA-Moleküle die Aminosäuresequenz eines bestimmten Peptids zusammengebaut wird, welches dann z.B. als Protein u.a. als Enzym im Organismus eine bestimmte Funktion ausführt, welche sich dann wiederum auf den Phänotyp dieses Organismus' auswirkt.

Die Mechanik, die die Translation ausmacht, kann man in folgendem kurzen Video anschaulich dargestellt sehen:

Ribosome in action

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Die molekulare Mechanik als bislang blinder Fleck 25 Jun 2019 20:34 #53126

  • Chris
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Ok, ja was soll man dazu sagen, Willkommen bei Lebenden.

//: Ist das nicht Elektrostatik wo in der von dir beschriebenen Mechanik, für Bewegung sorgt? Unser Größte Organ ist wohl ein Faradayscher Käfig. Ich weiß das nicht, hat da wer mehr Infos? Forum braucht wohl mehr Mediziner. :D

Ja ich kann alles, sogar definieren was ich nicht kann.

Man muss noch Chaos in sich haben, um einen tanzenden Stern gebären zu können.
**Der Friedrich**

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Letzte Änderung: von Chris. Begründung: // (Notfallmeldung) an den Administrator

Die molekulare Mechanik als bislang blinder Fleck 25 Jun 2019 21:50 #53131

Hallo Chris,

Willkommen bei Lebenden


Danke.

Ist das nicht Elektrostatik wo in der von dir beschriebenen Mechanik, für Bewegung sorgt?


Ja, im Kontext mit den verschiedenen spezifischen Molekülformen, die dann spezifische Reaktionen, Bewegungen usw. ermöglichen.

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