Quantenchemie löst das Geheimnis der 20 Aminosäuren im genetischen Code

Anonim

Mit quantenchemischen Methoden löste ein Forscherteam um Dr. Matthias Granold und Professor Bernd Moosmann vom Institut für Pathobiochemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz eines der ältesten Rätsel der Biochemie. Sie entdeckten, warum es 20 Aminosäuren gibt, die heute die Grundlage allen Lebens bilden, obwohl die ersten 13 Aminosäuren, die im Laufe der Zeit erzeugt wurden, ausreichend gewesen wären, um ein umfassendes Repertoire der erforderlichen funktionellen Proteine ​​zu bilden. Der entscheidende Faktor ist die größere chemische Reaktivität der neueren Aminosäuren als ihre räumliche Struktur. Die Mainzer Forscher postulieren in ihrer Veröffentlichung in der Fachzeitschrift PNAS auch, dass es der Anstieg des Sauerstoffgehalts in der Biosphäre war, der die Ergänzung der Protein-Werkzeugkiste mit zusätzlichen Aminosäuren ausgelöst hat.

Alles Leben auf der Erde basiert auf 20 Aminosäuren, die von der DNA zur Bildung von Proteinen bestimmt werden. In der vererbten DNA sind es immer drei aufeinanderfolgende DNA-Basen oder Codons, die sich kombinieren, um eine einzige dieser 20 Aminosäuren zu "codieren". Das resultierende Codon-Raster ist der so genannte genetische Code. "Seit Jahrzehnten ist man der Wissenschaft verblüfft, warum die Evolution diese 20 Aminosäuren für die genetische Kodierung ausgewählt hat", sagt Professor Bernd Moosmann. "Das Vorhandensein der letzten und neuesten sieben Aminosäuren ist besonders schwer zu erklären, da geeignete und funktionelle Proteine ​​nur mit den ersten und ältesten 10 bis 13 Aminosäuren zusammengesetzt werden können."

In einem neuen Ansatz verglichen die Forscher die Quantenchemie aller Aminosäuren, die das Leben auf der Erde verwendet, mit der Quantenchemie von Aminosäuren aus dem Weltraum, die auf Meteoriten sowie mit modernen Referenz-Biomolekülen eingebracht wurden. Sie fanden, dass die neueren Aminosäuren systematisch weicher, dh leichter reaktiv oder anfällig für chemische Veränderungen geworden waren. "Der Übergang von der toten Chemie im Weltraum zu unserer eigenen Biochemie war heute von einer Zunahme der Weichheit und damit einer erhöhten Reaktivität der Bausteine ​​geprägt", erklärt Moosmann. Die Forscher konnten die Ergebnisse ihrer theoretischen Berechnungen in biochemischen Experimenten verifizieren. Auch bei den neueren Aminosäuren müssen funktionelle Aspekte eine wesentliche Rolle gespielt haben, da diese Neulinge kaum besondere Vorteile beim Aufbau von Proteinstrukturen aufweisen.

Jedoch blieb das Problem bestehen, warum die weichen Aminosäuren der Werkzeugbox an erster Stelle hinzugefügt wurden. Worauf genau sollten diese reaktionsfreudigen Aminosäuren reagieren? Auf der Grundlage ihrer Ergebnisse kommen die Forscher zu dem Schluss, dass zumindest einige der neuen Aminosäuren, insbesondere Methionin, Tryptophan und Selenocystein, als Folge der Zunahme des Sauerstoffgehalts in der Biosphäre hinzugefügt wurden. Dieser Sauerstoff förderte die Bildung von toxischen freien Radikalen, die moderne Organismen und Zellen einem massiven oxidativen Stress aussetzen. Die neuen Aminosäuren durchliefen chemische Reaktionen mit den freien Radikalen und spülten sie so effizient auf. Die oxidierten neuen Aminosäuren wiederum waren nach Oxidation leicht reparierbar, aber sie schützten andere und wertvollere biologische Strukturen, die nicht reparabel sind, vor Sauerstoff-induzierter Schädigung. Daher lieferten die neuen Aminosäuren den entfernten Vorfahren aller lebenden Zellen einen sehr realen Überlebensvorteil, der ihnen erlaubte, in der stärker oxidierenden, "tapferen" neuen Welt auf der Erde erfolgreich zu sein. "Damit könnten wir den Sauerstoff als Autor charakterisieren und dem genetischen Code den letzten Schliff geben", sagt Moosmann.

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