Ontstaan van replicerende biopolymeren |  |
Een essentiële voorwaarde voor leven is replicatie: kunnen vermenigvuldigen. Veel wetenschappers zien het begin van het leven in het ontstaan van replicatie. De replicatie is ongeveer 3800 miljoen jaar geleden ontstaan met de opbouw van biopolymeren. Dit zijn lange ketens opgebouwd uit de bouwstenen. Die bouwstenen waren al 4600 miljoen jaar geleden ontstaan.
Tegenwoordig zijn DNA en eiwit de twee belangrijkste biopolymeren. Alle levende wezens zijn eruit opgebouwd. DNA is nodig om eiwit te maken en is eiwit nodig om DNA te kopiëren. Maar wat was er dan het eerst, DNA of eiwit? Een echte kip-of-eivraag. Of was er nog iets anders? RNA?
RNA-wereld
RNA is net als DNA een keten die is opgebouwd uit een base, een suikergroep en een fosfaatgroep. Toch zijn er enkele verschillen tussen RNA en DNA. Deze staan in de volgende tabel.
| RNA | DNA | |
| Basen | U, A, C en G | T, A, C en G |
| Suikergroep | Ribose | Deoxyribose |
| Structuur | Enkele keten | Dubbele helix |
Na lang puzzelen is de wetenschap er nu van overtuigd dat RNA het eerst ontstond. Dit RNA was een voorloper van DNA en van eiwit.We weten dat RNA er het eerst was, door de ontdekking dat RNA ook de functies van DNA en eiwit kan vervullen. Bovendien zijn er in cellen allerlei sporen gevonden, die erop wijzen dat RNA erg oud moet zijn. Voor meer informatie over deze ontdekkingen: klik hier
Ongeveer 3800 miljoen jaar geleden had RNA de functie van zowel eiwit (chemische reacties versnellen) als van DNA (informatie dragen). Daarom heet deze situatie RNA-wereld.
Het is zeer aannemelijk dat er ooit een RNA-wereld is geweest. Maar hoe is die ontstaan? Daarover zijn nog steeds veel onduidelijkheden. Hieronder staat een mogelijke verklaring voor de overgang van organische bouwstenen, zoals suikers en aminozuren, naar een RNA-wereld.
Halffabrikaten voor RNA ontstaan uit ribose en nucleotiden
De losse bouwstenen kunnen samenklonteren tot grotere moleculen. Een groep van die grotere moleculen zijn de nucleotiden. Voorbeelden van deze nucleotiden zijn ATP, GTP, CTP en UTP.
Dit zijn energierijke organische moleculen die zijn ontstaan uit drie fosfaten en de bouwsteen ribose en één van de vier basen Adenine, Guanine, Cytosine of Uracil. Deze nucleotiden zijn de halffabrikaten voor een RNA-molecuul. De halffabrikaten zijn de schakels in een RNA-keten.
De opbouw van GTP, een halffabrikaat voor een RNA-molecuul
De productie van de halffabrikaten is lastig, omdat er veel energie voor nodig is. De oorsprong van de eerste RNA-halffabrikaten is een van de meest onzekere punten in het ontstaan van het leven. Mogelijk hebben de aanwezigheid van kleimineralen en een hoge temperatuur hier een rol hebben gespeeld. De kleideeltjes konden bouwstenen binden, waardoor veel bouwstenen dicht bij elkaar kwamen.
RNA ontstaat door polymerisatie van halffabrikaten
Sommige kleideeltjes, konden de halffabrikaten binden. Door de kleideeltjes komen er veel halffabrikaten dicht bij elkaar in een kleine ruimte. Met een kleine onderlinge afstand kunnen ze polymeriseren, samenkoppelen, tot een keten. Zo'n keten van halffabrikaten is RNA.
Een keten van halffabrikaten heet RNA.
RNA kan specifieke basenparen te vormen, A bindt alleen aan U en C bindt aan G. Zo ontstaan G-C en A-U basenparen.
De specifieke basenparen van RNA. Met de rode lijntjes zitten de basen vast aan de suikergroep
Deze eigenschap zorgt ervoor dat RNA zich kan repliceren. Dat werkt zo:
Het repliceren van RNA
Losse halffabrikaten kunnen binden aan de basen van de een keten RNA. Deze keten heet hier de originele keten.
Een originele keten RNA met gebonden halffabrikaten.
Als de losse halffabrikaten samenkoppelen, ontstaat er een tweede (complementaire) keten. Door het trillen van moleculen kan de tweede keten losraken van de originele keten.
De nieuwe keten laat los van de originele keten
Hierna kan er weer een derde keten aan de tweede keten ontstaan. Deze derde keten heeft dezelfde basenvolgorde als die van de eerste, originele, keten. Dit betekent dat RNA zichzelf kan vermenigvuldigen. Deze vermenigvuldiging ging waarschijnlijk nog wel heel langzaam. Pas later ging het sneller en ontstond er een betere controle over dit proces.
Vermeerdering en selectie van RNA
De eerste RNA-ketens konden repliceren, maar maakten door toeval fouten. Af en toe wordt er een verkeerd halffabrikaat ingebouwd. Dit heet een mutatie. Door deze mutaties ontstond een hele verzameling van verschillende RNA ketens.
Sommige ketens konden sneller repliceren dan andere. De snelle hadden een grotere kans om zich te vermenigvuldigen. Dit is een soort selectiemechanisme. De ketens die beter konden repliceren, hadden een selectievoordeel. Door deze selectie werden de ketens beter in repliceren.
Nadat replicatie was ontstaan, waren de drie ingrediënten voor Darwinistische evolutie aanwezig. (link naar Evolutietheorie van Darwin, al aanwezig in Natuurinformatie.nl)
- Vermenigvuldiging
- Mutaties (Fouten)
- (Natuurlijke) selectie
Vanaf dit punt ging het proces van evolutie een grote rol spelen in de ontwikkeling van het leven.
Sommige RNA-ketens konden ook andere taken uitvoeren, zoals het produceren van halffabrikaten. Dit geeft ook een evolutionair voordeel, omdat die ketens meer halffabrikaten hadden en zich daarmee sneller konden vermenigvuldigen dan andere ketens.
Conclusie
3800 miljoen jaar geleden is een RNA-wereld ontstaan. Een RNA-wereld wil zeggen dat het erfelijk materiaal bestaat uit RNA en dat RNA de katalysator is van chemische reacties. Volgens sommige definities is er in de RNA-wereld al leven, toch zijn er nog geen echte cellen.
In de kennis over het ontstaan van de RNA-wereld zitten nog een paar gaten. Er is bijvoorbeeld weinig duidelijkheid over hoe de halffabrikaten zijn ontstaan. Voor de onderzoekers die hieraan werken is er dus nog genoeg te doen.
Naar de tijdlijn Naar de volgende stap
Februari 2007
Redactie Natuurinformatie Naturalis
Aanwijzingen voor de RNA-wereld
Bijna alle deskundigen zijn het erover eens dat er ooit een RNA-wereld heeft bestaan, waar RNA al de functies van het leven uitoefent. Voor dit idee zijn veel aanwijzingen, drie ervan zijn hieronder toegelicht.
1. RNA kan dienen als katalysator
Het ribosoom (link naar De Klikbare Cel > Ribosoom) is het celonderdeel dat aminozuren samenkoppelt tot eiwitten. Het ribosoom bestaat uit stukken eiwit en RNA.
Het ribosoom is een celonderdeel dat eiwitten maakt.
Vroeger was de opvatting dat de stukken eiwit de belangrijkste onderdelen van het ribosoom waren en dat RNA alleen hielp om alles bij elkaar te houden. Dit bleek helemaal fout. Na onderzoek bleek dat het RNA juist het belangrijkste onderdeel was. Het RNA maakt de verbinding tussen de aminozuren in de eiwitproductie. Dit toont aan dat RNA reacties kan versnellen (katalyseren).
Het ribosoom is een eiwitfabriek die bij alle levende cellen aanwezig is. Dat RNA hier zo'n belangrijke rol speelt, zien veel mensen als een overblijfsel van een zeer vroege evolutiefase, toen het leven helemaal uit RNA bestond.
2. RNA kan dienen als genetische informatie
In levende cellen is DNA drager van de genetische informatie. Maar er is nog een andere mogelijkheid: sommige virussen hebben RNA als genetisch materiaal. Ze heten RNA-virussen. Een voorbeeld van een RNA-virus is het hiv-virus, het virus dat de ziekte aids veroorzaakt.
De RNA-virussen tonen aan dat RNA kan dienen als erfelijk materiaal en dat RNA dus de huidige functie van DNA kan vervullen.
3. Halffabrikaten van RNA zijn belangrijk
Voor allerlei levensprocessen is energie nodig. Deze energie komt uit de afbraak van voedsel. Bij het afbreken van voedsel ontstaan de nucleotiden ATP en GTP. De processen waarbij energie nodig is, breken ATP en GTP weer af. Deze nucleotiden zijn dus een soort centrale opslagplaats voor energie.
Schematisch overzicht van energiestromen in het leven
De nucleotiden zijn ook halffabrikaten van RNA. Dat deze halffabrikaten centrale stoffen zijn, wijst erop dat de halffabrikaten vroeg in de evolutie ontstaan moeten zijn. Dit is een argument dat ook RNA al heel lang bestaat.
Conclusie
Er zijn drie voorbeelden besproken. Die voorbeelden tonen aan dat RNA de belangrijke functies van DNA (drager genetische informatie) en eiwitten (reacties versneller) kan uitoefenen. Bovendien geven de voorbeelden aan dat cellen van tegenwoordig allerlei overblijfselen bevatten die wijzen op een belangrijke rol van RNA in het verleden.
Naar een verklaring voor het ontstaan van de RNA wereld
Februari 2007
Redactie Natuurinformatie Naturalis