Leben und Biopolymere

[seeker]

Mich würde einmal interessieren, wie das mit den Biopolymeren, die das Leben benutzen kann, genauer ausschaut.

Ich finde folgende Klassen:

1) RNA/DNA
2) Proteine
3) Polyzucker
4) Polyfettsäuren

Habe ich ich alle oder fehlt noch etwas in der Liste?

Wenn man sich über das Leben, seine Entstehung, usw. unterhält, dann geht es meist vorwiegend um 1) und 2).
Wie schaut es aber mit den anderen aus? Könnten die z.B. theoretisch auch als Informationsspeicher oder Replikator fungieren?

[Diagnostiker]

Da schreibe ich später noch mal etwas dazu. Salopp gesagt sind Polysaccharide oder Lipide in ihrer Struktur zu wenig abwechslungsreich, um die Funktion als Enzym bzw. Genom zu erfüllen.

[Diagnostiker]

Zu den Polysacchariden:



Quelle: https://d1u2r2pnzqmal.cloudfront.net/co ... 1638720911

Die Grundelemente sind Einfachzucker, die lediglich aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen. Linear miteinander verkettet entsteht Cellulose bzw. eine Cellulose-ähnliche Struktur, wenn es sich bei den Einfachzuckern nicht um Glucose handelt. Da die Seitenstrukturen identisch sind, ergeben sich keinerlei variable Funktionen, sondern eben lediglich die Eignung als eine Art Faser.

Beim Auftreten von Querverbindungen zwischen den linear miteinander verketteten Einfachzuckern ergeben sich dreidimensionale Gebilde, die aber ihrerseits keine Möglichkeit einer replizierbaren Struktur eröffnen, da die Seitenstrukturen nicht spezifisch, sondern uniform sind. Eventuell sind bei den dreidimensionalen Strukturen auch solche dabei, die im Sinne einer molekularen Mechanik eine bestimmte Funktion ausüben könnten, aber mangels vorhandener Spezifität der Einzelzucker lässt sich hier nicht in Analogie zu Proteinen eine bestimmte Abfolge von Einzelbausteinen aneinanderreihen, die sich dann unter Wassereinfluss spezifisch in eine erwünschte Form dreidimensional faltet.

Aus Polysacchariden lässt sich funktional gesehen also aufgrund der Uniformität der Einzelbausteine nichts im Sinne von Replikation oder Genom herausholen. Ergänzt man hingegen die Grundstruktur der Einfachzucker mit variablen Seitengruppen, ergeben sich neue Möglichkeiten:



Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ ... rt.svg.png

Hier sehen wir in der Mitte einen Einfachzucker und links einen Phosphatrest angeheftet sowie rechts einen Purinrest. Das ist dann variabel:



Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ ... rt.svg.png



Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ ... rt.svg.png



Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ ... rt.svg.png

In der Summe haben wir dann vier Einfachzucker, die über ihre Seitengruppen zu größeren Strukturen reagieren können, welche aufgrund ihrer Variabilität und stereochemischen Passfähigkeit zu komplexeren Strukturen zusammenfinden können, die dann auch replizierbar sind:



Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ ... es.svg.png

Dieses Prinzip ist bei uns als RNA bzw. DNA realisiert. Voraussetzung hierfür ist aber die Erweiterung der Struktur des Einfachzuckers (bei RNA die Ribose) um eine Seitenkette, die in der Lage ist, die Einfachzucker zu einer längeren Struktur zu verknüpfen sowie die Anfügung einer weiteren Seitenkette am Einfachzucker, die eine komplementäre Verknüpfung zu einem Parallelstrang ermöglicht, welche dann die Möglichkeit der Replikation eröffnet.

Somit kann man sagen, dass Polysaccharide für sich genommen kein Potenzial besitzen, um eine Genomfunktion auszuüben, aber bei chemischen Ergänzungen der Einzelzuckerbestandteile dieses Potenzial erschlossen werden kann.

Zu den Lipiden:



Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ ... .2.svg.png

Hier sieht man einen typischen Bestandteil der Nahrungsfette. Dargestellt ist der Vorgang der Fetthärtung, wo unter Hinzufügung von Wasserstoff die Doppelbindungen in Einfachbindungen in den Fettsäurebestandteilen bewirkt werden. Auch hier ist die Grundstruktur aus chemischer Sicht sehr einfach gestaltet. Nachteil für eine eventuelle Verwertbarkeit für enzymatische oder genomische Funktionen ist hier zum einen die große Länge der angehängten Fettsäuren, die das Anfügen von Seitengruppen - analog zu den Einfachzuckern bei RNA - erschweren.

Angehängte Seitengruppen würden hier zu dreidimensionalen Vernetzungen führen und das Molekül als solches sehr sperrig werden lassen. Im Unterschied zu Proteinen, wo es eine lineare Struktur gibt, die sich zu einem größeren Gebilde faltet, welches dann ggf. über Disulfidbrücken stabilisiert wird, hätten wir bei den sehr langkettigen Fettsäuren eine Struktur, die nicht über Linearität mehrere Einzelbestandteile hervorgeht, sondern über Querverbindungen innerhalb eines Einzelbausteins, was dann eine Replizierbarkeit unmöglich werden lässt - vorstellbar wie ein Haarbüschel, welches sich so miteinander verfilzt, dass ein Durchkämmen unmöglich werden lässt. Die Einzelbestandteile lassen sich dann nicht wieder auftrennen, nachdem sie sich miteinander zu einer dreidimensionalen Struktur verflochten haben.

Dann gibt es noch die Lipide, die Membranen bilden:



Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ ... tation.png

Hier haben wir vergleichbare Problematiken: langkettige Fettsäureanteile, die keine reaktiven Seitengruppen zulassen, um eine dreidiemnsionale Verflechtung, die nicht mehr auflösbar ist, auszuschließen. Der hydrophile Kopf gewährleistet zwar eine Aneinanderkettung zu linearen und schließlich flächigen Strukturen - Membranbildung! - aber wegen der Gleichförmigkeit der Kopfanteile ist auch hier eine erweiterte Funktionalität im Sinne von Replizierbarkeit und Genomfunktion analog zu Polysacchariden nicht mehr möglich.

Potenzial sehe ich bei folgenden Stoffklassen:

Terpenoide

Aminobenzoesäure(n)

Die letzte der beiden verweist auf Überlegungen zu einer "Aromaten-Welt", bei der solche Aromaten mit funktionellen Seitengruppen einerseits Peptidbindungen eingehen können -CONH- und andererseits über weitere funktionelle Seitengruppen in Analogie zu den RNA-Basen spezifische komplementäre Paarungen ermöglichen, was dann Genomfunktionen ermöglicht sowie eine Replizierbarkeit in Gestalt einer linearen Sequenz, die zu einem Makromolekül verkettet wird.

Terpenoide haben eine komplexere Struktur, die stärker dreidimensional ausgefaltet ist, was dann wieder Probleme machen könnte, wenn es darum geht, vernetzende Querverbindungen zu vermeiden. Da Terpenoide jedoch vielfältig biochemisch erschlossen wurden, zeigen sich ihre Stärken bezüglich einer Stoffvielfalt in den Sekundärstoffwechseln der irdischen Organismenvielfalt.

So weit erst mal ein Überblick ...

[Frank]

Vielen Dank für die Mühe, die du dir mal wieder gemacht hast-

Kurze Frage zwischen durch. Ich lese immer Einfachzucker. Was ist eigentlich mit Mehrfachzucker, oder ist das was ganz anderes?

[Diagnostiker]

Hallo Frank,

Mehrfachzucker sind Zucker, die aus mehreren Einfachzuckern zusammengesetzt sind. Unser Haushaltszucker besteht z.B. aus einem Teil Glucose (Traubenzucker) und einem Teil Fructose (Fruchtzucker) und stellt damit einen Zweifachzucker dar (Disaccharid).



Weitere Mehrfachzucker sind z.B. Maltose und Lactose.

EDIT: Als Mehrfachzucker wird auch das Polysaccharid Stärke bezeichnet, wie ich gerade noch einmal nachgeschaut habe. Ich würde Stärke aber eher als Vielfachzucker bezeichnen, statt als Mehrfachzucker. Offenbar gibt es da in der Ernährungsbranche eine eigene Interpretation dieses Begriffs. Na ja, wieder etwas dazugelernt ...

[seeker]

Vielen Dank Diagnostiker!
Toll gemacht!

Die Zucker scheinen also zu einfach und die Fette haben zu lange Schwänzchen, die sich verknäulen... Wobei wir auf die Fette wegen ihrer einzigartigen Eigenschaft auf der einen Seite hydrophil und auf der anderen Seite hydrophob zu sein, mit dem wir dem Wasserhaushalt Herr werden können, um unsere Kondensationsreaktionen zu steuern, wohl nicht verzichten werden können.
(Das Coole ist ja, dass man mit den Fetten Membranen bauen kann, in die man kleine Kanäle, "Lochpumpen" und weitere Selektivfunktionen aus anderen Strukturen intergrieren kann.)
Ich komme zwar auch immer wieder dahin, dass man auch unbedingt Moleküle mit den Elementen N und P brauchen wird, wegen deren einzigartigen Eigenschaften, aber die Polyzucker sind halt auch gerade daher wiederum interessant, weil sie so maximal einfach sind: nur C, H und O im Molekül.

Ich würde daher zuerst noch gerne etwas bei den Polysacchariden verweilen:

Im Versuch hier noch etwas mehr Komplexität und damit mögliche Funktion herauszuholen, folgende Ideen:

Wir haben bei den Kohlehydraten nicht nur die von dir dargestellten 6-Ringe... wir haben prinzipiell Zucker-Ringe mit 4 bis 7 C-Atomen zur Verfügung. Außerdem haben wir viele Stereoisomere, z.B. beim 6er-Ring schon 8.
Könnten wir vielleicht damit, über die Abfolgen von verschiedenen Zucker-Ringen und Isomerformen in den Ketten, etwas in unserem Sinne zusammenbauen? Vielleicht wenigstens etwas, das einem Enzym näher käme?

[Diagnostiker]

Hallo seeker,

Könnten wir vielleicht damit, über die Abfolgen von verschiedenen Zucker-Ringen und Isomerformen in den Ketten, etwas in unserem Sinne zusammenbauen? Vielleicht wenigstens etwas, das einem Enzym näher käme?

Ich bastle gerade gedanklich mit verschiedenen Stereoisomeren der üblicherweise vorhandenen Pentosen und Hexosen herum, um daraus etwas Komplexeres wachsen zu lassen als Stärke oder Cellulose, aber ohne weitere funktionelle Gruppen, außer den üblich vorhandenen Hydroxylgruppen, lässt sich da nichts entwickeln, was auch nur annähernd in Richtung eines Enzyms tendiert.

Der Haken ist hier, dass durch die Ringform die Strukturen sehr schnell sehr sperrig werden. Wegen der ausschließlich über Hydroxylgruppen gebildeten funktionellen Randgruppen haben wir keine Analogie zu Proteinen, wo über die verschiedenen Seitengruppen hydrophile und hydrophobe Abschnitte vorhanden sind sowie keine variierenden Ladungsverteilungen durch saure oder basische Abschnitte.

Bei entsprechend voluminös gebauten Polysacchariden mit variierenden Einfachzuckern in der Zusammensetzung haben wir zwar vielleicht eine äußerlich vergleichbare Gestalt, die einem globulären Protein ähnelt, aber infolge der Eintönigkeit in der chemischen Vielfalt der verfügbaren Seitengruppen dennoch eine weitgehend inerte Struktur, die funktional reichlich unbrauchbar ist, um im Sinne eines Stoffwechsels etwas zu bewirken, was ein ganzes übergeordnetes System am Laufen hält. So eine Struktur wäre nur eine Art Klumpen, der im Wege liegt, aber nichts, was als Enzym irgendwie zu etwas nütze wäre.

Ich vermute, dass daher die Stärken der Kohlenhydrate als Speicherstoff für Energie sowie als Gerüststoff schon sehr früh festgelegt und genutzt wurden, als parallel und in Konkurrenz zu Einfachzuckern auch Aminosäuren und (in Gestalt von mit funktionellen Seitengruppen versehenen Einfachzuckern) Nucleotide vorhanden waren. Zu erwarten ist, dass das auch anderswo analog ablaufen würde.

Nimmt man funktionelle Seitengruppen hinzu, ergeben sich andere Möglichkeiten der Verknüpfung, die über Glykosidbindungen hinausgehen. Allerdings macht die beschriebene schnell zunehmende Voluminosität auch hier dem Polymerwachstum sehr schnell einen Strich durch die Rechnung, weil dann die verschiedenen Seitengruppen miteinander reagieren und zu einer Verklumpung durch Kettenschluss führen. Dann haben wir zwar einige wenige Saccharide miteinander verbunden, aber ein weiteres Kettenwachstum ist dann nicht mehr möglich, so dass sich die Größe nicht so weit steigern kann, dass sie in die Nähe eines globulären Proteins gelangt. Eine molekulare Mechanik wie sie für die Aufrechterhaltung der Prozesse in der Zelle benötigt wird, ist dann nicht mehr möglich, weil die vorhandenen Partikel dafür zu klein und zu unflexibel sind. So etwas wie allosterische Proteine ist auf Kohlenhydratbasis nicht möglich, auch wenn es variable Seitengruppen gibt, welche einige Hydroxylgruppen ersetzen.

Nach meiner Einschätzung sieht es also schlecht aus für Enzyme auf Kohlenhydratbasis.

[seeker]

Du hast wohl Recht, zumindest bräuchte man noch irgendwo einen aktiven Kern im Makromolekül, mit etwas anderem (andere funktionelle Gruppen und/ oder ein Metallion).

Mit den Kohlenhydraten alleine kann man prima Gerüststrukturen bauen, aber wir brauchen zusätzliche Funktionen:
Wir brauchen hydrophil/hydrophob und wir brauchen einen Gegenspieler für die -OH Gruppen.
Und dafür ist der Stickstoff mit seinem freien Orbital und den -NH2 /-NH3+ Gruppen bestens geeignet.
Und wenn man beides in demselben Monomer-Molekül hat, dann ist das noch besser, einzigartig: Amphotere Zwittermoleküle, die mit sich selber reagieren können, sowohl Säure als auch Base sind und daher sowohl + Ladungen als auch - Ladungen zur weiteren Bindung bereitstellen. Und hydrophobe CH-Bereiche kann man dort auch noch irgendwo dranhängen.
Und dann landen wir halt doch bei den Aminosäuren...

Interessant übrigens, auch für die Allgemeinheit:

Wenn wir uns z.B. das DNA- oder RNA-Molekül anschauen, dann ist das aus drei Molekülklassen zusammengebaut:

- Zuckermoleküle
- Phosphorsäure
- Aminosäuren

Warum man die Phosphorsäure unbedingt zwischen den Zuckermolekülen braucht ist mir dabei allerdings noch nicht klar. Was, wenn die Zuckermoleküle alleine das Rückrat bilden würden? Fehlen da die Reaktionswege, für so etwas?

[Diagnostiker]

Warum man die Phosphorsäure unbedingt zwischen den Zuckermolekülen braucht ist mir dabei allerdings noch nicht klar. Was, wenn die Zuckermoleküle alleine das Rückrat bilden würden? Fehlen da die Reaktionswege, für so etwas?

Dazu habe ich diesen Abschnitt in der Wikipedia gefunden:

https://de.m.wikipedia.org/wiki/Synthet ... 3%BCckgrat

Es scheint sich hierbei um eine Einpegelung auf ein praktikables Optimum zu handeln. Die Phosphatgruppen spielen eine wichtige Rolle für die Wiedererkennung der Nucleotide.

- Zuckermoleküle
- Phosphorsäure
- Aminosäuren

Letzteres ist nicht richtig. Anstelle von Aminosäuren haben wir hier organische Basen, die auf Purinen (Adenin und Guanin) oder auf Pyrimidinen (Cytosin, Thymin und Uracil) - also heterozyklische Verbindungen mit Stickstoff in den Ringstrukturen zurückgehen. Alternativ sind noch andere Purine oder Pyrimidine denkbar (Inosin, Xanthin, Diaminopyrimidin), die vielleicht in außerirdischen Biochemien eine Rolle in deren Genomen spielen.

[seeker]

Dazu habe ich diesen Abschnitt in der Wikipedia gefunden:

Danke! Interessant. Das die Phophatgruppe das Rückgrat des Moleküls sehr hydrophil macht, scheint also wichtig zu sein.

- Aminosäuren

Letzteres ist nicht richtig. Anstelle von Aminosäuren haben wir hier organische Basen

Ohh... Mann! Was ein Lapsus... natürlich nicht!
Ich denke, es dürfen an diesen Bausteinen der DNA auch keine (-COOH) Säuregruppen sein, denn das würde zusammen mit den Aminogruppen der Partnerseite entweder zu echten Reaktionen unter H2O-Abspaltung führen oder zur Ionisierung per Protonenübertrag von -COOH zum -NH2. In jedem Fall wären die Bindungen zwischen den beiden DNA-Einzelsträngen dann sicherlich viel zu stark um bei der Replikation wieder separiert werden zu können.