Η κατασκευή των οργανισμών, βιοχημική συνέχεια Μέρος πρώτο. ΑΠΛΕΣ ΧΗΜΙΚΕΣ ΠΡΟΒΙΟΤΙΚΕΣ ΜΟΝΑΔΕΣ ΠΡΙΝ ΑΠΟ ΤΑ ΠΡΩΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ: Πριν από τα πρωτοβακτήρια ή την μετέπειτα εμφάνιση πιο εξελιγμένων οργανισμών, δημιουργούνται οι πρώτες απλές βιοχημικές μονάδες

Δήμητρα Σπανού , χημικός, καθηγήτρια στο 1ο Γυμνάσιο Δάφνης

ΕΝ ΑΡΧΗ ΗΝ Ο ΔΙΑΜΟΡΦΟΥΜΕΝΟΣ ΠΛΑΝΗΤΗΣ ΓΗ, 

ΚΑΙ Η ΘΕΡΜΟΠΥΡΗΝΙΚΗ, ΘΕΡΜΙΚΗ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

ΚΑΙ ΕΓΕΝΟΝΤΟ ΟΙ ΠΡΩΤΕΣ ΑΠΛΕΣ ΑΝΟΡΓΑΝΕΣ ΧΗΜΙΚΕΣ ΟΥΣΙΕΣ 

Η αρχική δημιουργία μικρών μορίων- προδρόμων οργανικών μορίων

Η φορμαλδεϋδη (αλλά και η ακετλδεϋδη)

Ένα από τα βασικά μικρά μόρια της τότε γης είναι η φορμαλδεϋδη. 

Η φορμαλδεϋδη δημιουργείται με διάφορους τρόπους, όπως την επίδραση υπεριώδους ακτινοβολίας σε ορυκτά παρουσία νερού και διοξείδιου του άνθρακα. 

Η φορμαλδεϋδη (HCHO) Είναι η πρώτη οργανική ένωση που ανιχνεύτηκε στο διαστρικό ενδιάμεσο το 1969 και η πιθανή δημιουργία της αναφέρεται σαν επίδραση υδρογόνου σε στερεό μονοξείδιο του άνθρακα  ( 

το υδροκυάνιο

Το υδροκυάνιο επίσης, είναι ένα μικρό μόριο που παρασκευάζεται ευκολότατα σε ατμόσφαιρα που περιέχει μεθάνιο και άζωτο και δέχεται ηλεκτρικές εκκενώσεις

Το HCN,  αυτό το μικρό μόριο  υπήρχε, πριν ακόμα υπάρξουν τα πρώτα κύτταρα -οργανισμοί,

που στην συνέχεια έρχεται  η συνένωσή τους σε πολυπλοκότερα οργανικά μόρια με ικανότητα αντιγραφής του εαυτού τους, κι αυτά στους πρώτους γαιωλογικούς χρόνους της Γης  γύρω στα 4 έως 3,5 δισεκατομύρια χρόνια πριν, θεωρούνται οι πρώτες ενδείξεις  ενός φαινομένου που αργότερα θα εξελιχθεί σε αυτόνομα βιολογικά οργανικά συστήματα που εξελίσσονται συνεχώς σε πολυπλοκότερα.

η αμμωνία

Ένα τρίτο σημαντικό μόριο για τη ζωή είναι η αμμωνία. Το ατμοσφαιρικό άζωτο είναι άφθονο αλλά αδρανές. Για να χρησιμοποιηθεί πρέπει να μετατραπει σε άλλη μορφή όπως η αμμωνία ή τα νιτρικά ιόντα .

 Η μετατροπή του Ν2  σε ΝΗ3 απαιτεί ιδιαίτερες συνθήκες όπως οι ηλεκρικές εκκενώσεις των κεραυνών σε ΝΟ2 , ή υψηλή θερμοκρασία  και πίεση.

  Ν2    + 3Η2  ( 500C , 300at)  -->  2NH3   τα λίγο μεγαλύτερα μόρια της ζωής

τα κάπως μεγαλύτερα μόρια  που ερχονται στην συνέχεια

γλυκίδια, τα λιπίδια, τις πρωτεϊνες και τα νουκλεοτίδια

Μέσα στο κυτταρόπλασμα υπάρχουν περί τις 1000 διαφορετικές κατηγορίες μορίων που μπορούν να σχηματίσουν άλλα πιο σημαντικά μόρια (μονομερή ή υπολλειματικές ομάδες) όπου και αυτά πολλές φορές αυτά ενώνονται και δημιουργούν ακόμη μεγαλύτερα, τα πολυμερή ή συμπολυμερή αν είναι διαφορετικά αυτά που ενώνονται. Έχουμε 4 κατηγορίες οργανικών ουσιών του κυττάρου, τα γλυκίδια, τα λιπίδια, τις πρωτεϊνες και τα νουκλεοτίδια

Έτσι, πριν  ακόμη κάνει την εμφάνισή του το πρώτο κύτταρο

 η μετέπειτα  βιοχημεία των κυττάρων είχε ήδη τις πρώτες ύλες της

.

ΟΙ ΚΥΡΙΟΤΕΡΕΣ ΒΙΟΧΗΜΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ 

ΛΕΙΤΟΥΡΓΟΥΣΑΝ  ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΣΟΝΤΑΝ ΗΔΗ 

ΣΤΟΥΣ ΠΡΩΤΟΥΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ ΤΗΣ ΓΗΣ

Τα νουκλεοτίδια, η προέλευσή τους,  η συνένωσή τους και η συμπληρωματικότητα των αζωτούχων βάσεών τους

Από που προέρχονται τα νουκλεοτίδια και τα πυρηνικά οξέα; 

Θεωρείται πως η μητρική ένωσή τους είναι το μικρό μόριο , το υδροκυάνυο (που συμμετέχει  και στην κατασκευή  των πρωτεϊνών)   

Πρωταρχικό ρόλο στην δημιουργία οργανισμών έχουν τα νουκλεοτίδια και οι αλυσίδες των  νουκλεϊνικών οξέων καθώς  μηχανισμοός κατασκευής της διπλής έλικας  , που βασίζεται στην αντιγραφή μιας σειράς νουκλεοτιδίων  και που μόλις τον προηγούμενον αιώνα έγινε πλήρως κατανοητός , γνωστός σαν νόμος της συμπληρωματικότητας των βάσεων των νουκλεικών οξέων). 

Το υδροκυάνiο,  HCN,  αυτό το μικρό μόριο  υπήρχε, πριν ακόμα υπάρξουν τα πρώτα κύτταρα -οργανισμοί, 

και σήμερα αποδεικνύεται,   ότι με την φορμαλδεϋδη CH2O, το άλλο μικρό σημαντικό μόριο

, μπορούσε να δώσει την αζωτούχα βάση των DNA και RNA ,ΑΔΕΝΙΝΗ, η αντίδραση γίνεται σε υδατικό περιβάλλον αμμωνίας και ο πολυμερισμός απαιτούσε 5 μόρια υδροκυάνιου (πενταμερές). 

5CH2O  + 5HCN --> 

Η ανακάλυψη αυτή έγινε το 1960 και πιθανολογείται πως και άλλα βιολογικά μόρια και πυρηνικές βάσεις μπορεί να έχουν αντίστοιχες παρασκευές  

Από την φορμαλδεϋδη επίσης και υδροκυάνιο με νερό  παίρνουμε το αμινοξύ ΣΕΡΙΝΗ

2CH2O  + HCN  +Η2Ο --> HOCH2CH(NH2)COOH   ΣΕΡΙΝΗ

Αντίστοιχες παρασκευές άλλων δύο αμινοξέων

HCHO   +HCN  +NH3   ->RCH(NH2)CN -->  RCH(NH2)COOH +NH3   ΓΛΥΚΙΝΗ

CH3CHO   +HCN  +NH3   ->CH3CH(NH2)CN -->  CH3CH(NH2)COOH +NH3    ΑΛΑΝΙΝΗ

Αλλά και σάκχαρα όπως η πεντόζη ριβόζη έχουν σαν βάση κατασκευής τους το μικρό μόριο της φορμαλδεϋδης

5HCHO      -> C₅H₁₀O₅   ΡΙΒΟΖΗ

 Αλλά και άλλα απλά ανόργανα μόρια όπως το κυανιούχο αμμώνιο δίνουν βασικά οργανικά μόρια,

  NH4CN  (θερμικός πολυμερισμός) --> ΑΔΕΝΙΝΗ   

Έτσι λοιπόν,

αφού είχαν ήδη κατασκευαστεί τα νουκλεοζίδια (πεντόζη + βάση πουρίνης ή πυριμιδίνης) και τα νουκλεοτίδια (πεντόζη + βάση πουρίνης ή πυριμιδίνης +ένα ή περισσότερα μόρια φωσφορικού οξέος). 

Τα νουκλεοτίδια όμως, μπορούν να ενώνονται μεταξύ τους με φωσφοδιεστερική γέφυρα μεταξύ υδροξυλίου της πεντόζης στην θέση 3 και της πεντόζης του επόμενου στη θέση 5. Με τον τρόπο αυτό σχηματίζονται αρχικά δι και τρι νουκλεοτίδια που καταλήγουν στις γνωστές αλυσίδες των πυρηνικών οξέων.

  Εκτός όμως από την διεστερικό δεσμό του φωσφορικού οξέος με τα άτομα άνθρακα των πεντοζών δύο  συνεχώμενων νουκλεοτιδίων (δεσμός ισχυρός συμπύκνωσης) συναντάμε και τους άλλους  δεσμούς υδρογόνου, ασθενείς αλλά πολύ καθοριστικούς, μεταξύ των συμπληρωματικών αζωτούχων βάσεων των νουκλεοτιδίων. 

Από 4 δισεκατομύρια χρόνια πριν δηλαδή,  είχε καθοριστεί η κατασκευή ο νόμος της συμπληρωματικότητας των βάσεων των νουκλεοδιτίων με δεσμούς υδρογόνου που εύκολα συντίθενται και αποσυντίθενται. 

Η συμπληρωματικότητα που εμφανίζουν οφείλεται στην θέση των υδρογόνων και οξυγόνων τους που είναι σε σημεία που να "πέφτουν" απέναντι κι έτσι να εμφανίζεται η έλξη μεταξύ υδρογόνου της μιας και οξυγόνου της άλλης αζωτούχας βάσης (δεσμός υδρογόνου)

Οι συμπτώσεις αυτές εμφανίζονται τρεις φορές στις βάσεις Γουανίνη με την Κυτοσίνη οπότε συνδέονται με 3 τέτοιους δεσμούς υδρογόνου και 2 φορές μεταξύ των βάσεων Αδενίνης με Θυμίνη (2 δεσμοί υδρογόνου). 

Αυτήν την συμπληρωματικότητα των αζωτούχων βάσεων,  την συναντάμε σε πολλές περιπτώσεις όπως: α. Στην κατασκευή της διπλής έλικας DNA β. Στον διπλασιασμό του DNA  γ.τ ην μεταγραφή γονιδίου στο mRNA

στην β έχουμε την προσκόληση των ελεύθερων 

 νουκλεοτιδίων του πυρήνα στις αδέσμευτες βάσεις ξεδιπλωμένου και ανοικτού DNA.  Στην περίπτωση  γ έχουμε την μεταγραφή τμήματος του DNA στο mRNA βάσει της ίδιας σχέσης συμπληρωματικότητας 

Εδώ βέβαια,  το ζευγάρι των συμπληρωματικών βάσεων Αδενίνη - Θυμίνη, αντικαθίσταται από το ζευγάρι Αδενίνη - Ουρακίλη γιατί στο RNA υπάρχει νουκλεοτίδιο με ουρακίλη αντί της θυμίνης. Η σύνδεση γίνεται κι εδώ με δύο δεσμούς υδρογόνου αντίστοιχα 

δ. ο ίδιος κώδικας συμπληρωματικότητας των αζωτούχων βάσεων ισχύει και για το tRNA όταν κατά την σύνθεση πολυπεπτιδίων στα ριβοσώματα, δημιουργείται ακολουθώντας τριπλέτα βάσεων του mRNA 

Οι πρωτεϊνες

Η σύνθεση των πολυπεπτιδίων προϋποθέτει κάποιον πρωταρχικό μηχανισμό που να υλοποιεί τον ενιαίο γενετικό κώδικα που ισχύει μέχρι σήμερα στα φυσικά είδη ζωής, και στην συνέχεια προφανώς  εξελίχθηκε στο ριβόσωμα . 

Το ριβόσωμα είναι ένα οργανίδιο που υπήρχε και στο προκαρυωτικό κύτταρο. Απαραίτητα συστατικά για την κατασκευή πρωτεϊνών είναι τα αμινοξέα

Θεωρείται ότι κάποια από τα αμινοξέα είχαν κατασκευαστεί εκείνη την εποχή και πριν ακόμα δημιουργηθούν οι πρώτοι μονοκύτταροι οργανισμοί. Δυο από αυτά είναι η γλυκίνη και η αλανίνη.

Οι απλές ουσίες για την κατασκευή τους υπήρχαν τότε. Είναι μια αλδεϋδη, η φορμαλδεϋδη και ακετακδεϋδη αντίστοιχα, το υδροκυάνο και η αμμωνία. 

HCHO   +HCN  +NH3   ->RCH(NH2)CN -->  RCH(NH2)COOH +NH3   ΓΛΥΚΙΝΗ

CH3CHO   +HCN  +NH3   ->CH3CH(NH2)CN -->  CH3CH(NH2)COOH +NH3    ΑΛΑΝΙΝΗ

Τα Γλυκίδια

Ονομάζονται σάκχαρα ή υδατάνθρακες και αποτελούν το κύριο μέρος των οργανικών ουσιών στη γη, και την πρώτη θέση σαν προμηθευτές ενέργειας στους οργανισμούς. Περιέχουν συστατικά Άνθρακα: Υδρογόνο: Οξυγόνο σε αναλογία 1:2:1, και είναι πολυϋδροξυαλδεϋδες ή πολυϋδροξυκετόνες. Έρχονται από τις μητρικές ουσίες γλυκεριναλδεϋδη (CH2OHCHOHCHO) και διυδροξυκετόνη (CH2OHCOCH2OH) που παράγονται από την φορμαλδεϋδη με αλδοολική συμπύκνωση.

Τα μόριά της πολυμερίζονται και μπορούν να δώσουν  σακχαρα.  Αλδολική συμπύκνωση:

 Ακόμα η αλυσίδα των ανθράκωντων σακχάρων  επιμηκήνεται εύκολα με συμπύκνωση με την φορμαλδεϋδη.

ΓΙΝΕΤΑΙ ΛΟΙΠΟΝ ΦΑΝΕΡΟ, ΠΩΣ ΥΠΑΡΧΟΥΝ ΟΙ ΠΡΟΥΠΟΘΕΣΕΙΣ ΓΙΑ ΝΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΗΘΟΥΝ ΠΟΛΥΠΛΟΚΟΤΕΡΑ ΜΟΡΙΑ ΠΟΥ ΣΥΓΚΡΟΤΟΥΝ ΑΛΥΣΙΔΕΣ ΟΠΩΣ ΤΩΝ ΝΟΥΚΛΕΙΚΩΝ ΟΞΕΩΝ, ΤΩΝ ΠΡΩΤΕΙΝΩΝ ΚΑΙ ΤΩΝ ΠΟΛΥΣΑΧΑΡΙΤΩΝ

                  

                                                  Δήμητρα Σπανού

 

 

 

 

 

 

 

ΠΗΓΕΣ

ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΒΙΟΛΟΓΙΑ  Λουκάς Μαργαρίτης

https://de.wikipedia.org/wiki/Chemische_Evolution

file:///C:/Users/dimsp/Documents/%CF%87%CE%B7%CE%BC%CE%B5%CE%B9%CE%B1/%CE%92%CE%99%CE%9F%CE%A7%CE%97%CE%9C%CE%95%CE%99%CE%91%20%CE%A4%CE%A9%CE%9D%20%CE%9F%CE%A1%CE%93%CE%91%CE%9D%CE%99%CE%A3%CE%9C%CE%A9%CE%9D/ceb2ceb9ceb2cebbceb9cebf-2-cf83cf87cebfcebbceb5ceb9cebfcf85-ceb2ceb9cebfcebbcebfceb3ceb9ceb1-ceb2-cebbcf85cebaceb5ceb9cebfcf85-2014-151.pdf

Φορμαλδεΰδη - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)

Νουκλεοβάση - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)

Ποια τα χαρακτηριστικά του γενετικού κώδικα; 1.Κώδικας τριπλέτας = μια τριάδα νουκλεοτιδίων, το κωδικόνιο, κωδικοποιεί ένα αμινοξύ. Επειδή : – Αριθμός. - ppt κατέβασμα (slideplayer.gr)

Hermann Emil Louis Fischer (1852-1919). Πρωτεργάτης της χημείας των υδατανθράκων και των πρωτεϊνών. Βραβείο Nobel 1902.

https://de.wikipedia.org/wiki/Chemische_Evolution

https://neverlickthespoongr.wordpress.com/2012/10/27/%CE%B3%CE%B9%CE%B1%CF%84%CE%AF-%CF%84%CE%BF-dna-%CE%AD%CF%87%CE%B5%CE%B9-%CE%B8%CF%85%CE%BC%CE%AF%CE%BD%CE%B7-%CE%BA%CE%B1%CE%B9-%CF%8C%CF%87%CE%B9-%CE%BF%CF%85%CF%81%CE%B1%CE%BA%CE%AF%CE%BB%CE%B7/

ακατέργαστο

Οι φυσαλίδες αφρού προκαλούνται από την κίνηση του διαλύματος σαπουνιού (μηχανική κίνηση, έγχυση αέρα). Οι φυσαλίδες αέρα περικλείονται από μόρια σαπουνιού με τέτοιο τρόπο ώστε τα υδροφοβικά μοριακά μέρη τους να κατευθύνονται στο εσωτερικό του αέρα. Εάν η φυσαλίδα αφήνει το διάλυμα, πρέπει να αυξηθεί μέσω της επιφάνειας του νερού που καλύπτεται με μόρια σαπουνιού. Ως αποτέλεσμα, προσροφάται ένα δεύτερο στρώμα μορίων σαπουνιού, τα υδρόφοβα μοριακά μέρη του οποίου κατευθύνονται προς τα έξω στον περιβάλλοντα αέρα. Το προκύπτον διστρωματήρα σαπουνιού ονομάζεται αφρός lamella. [1]

ακατέργαστο

Figure 4.3 Vesicular monolayer lipid membranes (MLM) made of bolaamphiphiles with a charge on the inner surface are stable, because charged head groups cannot cross the hydrophobic membranes. Dissociation andfusion of MLMs are slow.