Home

Ontstaan van de prokaryote cel

Sommige biopolymeren, die zo'n 3800 miljoen jaar geleden ontstonden, konden zich repliceren. Maar losse biopolymeren zie je nauwelijks meer. Tegenwoordig zitten ze in cellen.

Er zijn twee soorten cellen: cellen met en zonder celkern. Planten en dieren hebben wel een celkern, bacteriŽn hebben er geen. De oudste fossielen hadden geen celkern. Door de fossielen is bekend dat cellen zonder celkern 3500 miljoen jaar oud zijn en cellen met celkern maar 1700 miljoen jaar oud.†Dus noemen we de cellen zonder celkern prokaryoten, dat in het Grieks vůůr kern†betekent. Later zouden deze cellen zich ontwikkelen tot cellen met kern, de eukaryoten.

Hoe zijn die prokaryote cellen dan ontstaan uit de biopolymeren?

Voor het ontstaan van de prokaryote cel waren vier belangrijke onderdelen nodig.

  1. Het ontstaan van eiwit
  2. Het ontstaan van stofwisseling
  3. Het ontstaan van het membraan
  4. Het ontstaan van DNA

Voor de duidelijkheid zijn de verschillende stappen om tot een cel te komen†gesplitst. In werkelijkheid liep de evolutie van de diverse onderdelen waarschijnlijk door elkaar heen.

Doordat alleen de grote stappen geschetst zijn, kan het lijken dat de evolutie (link naar evolutietheorie van Darwin) met grote stappen gaat. Maar die grote stappen bestaan uit vele kleinere stapjes die allemaal een klein beetje bijdragen aan het geheel.



Ontstaan van eiwit als katalysator

In een RNA-wereld vervult RNA de functie van†katalysator. Het RNA is een keten die is†opgebouwd uit vier verschillende nucleotiden. Deze verschillen maar weinig in chemische eigenschappen, waardoor RNA maar een aantal soorten reacties kan katalyseren (versnellen).

Tegenwoordig gebruikt de cel vooral eiwit als katalysator. Eiwit is een ketting met 20 verschillende soorten kralen, de aminozuren.†De†aminozuren hebben veel onderlinge verschillen. Kijk maar eens naar de aminozuren glycine en tryptofaan. Glycine is veel†kleiner dan tryptofaan.

Twee bouwstenen voor eiwit, glycine (links) en tryptofaan (rechts).

Hoe is de RNA-eiwit-wereld ontstaan uit†een RNA-wereld?

In een RNA-wereld zijn er stukjes RNA die zichzelf repliceren. Door mutaties in de replicatie kunnen er korte ketens RNA ontstaan die een aminozuur kunnen binden, deze ketens worden zwarte ketens genoemd. Ze zijn natuurlijk niet echt zwart. Verschillende soorten zwarte ketens kunnen verschillende soorten aminozuren binden.

Een korte zwarte keten RNA met een gebonden aminozuur (AZ). De verschillende soorten aminozuren hebben een eigen zwarte keten.


Door de speciale eigenschappen van de twintig verschillende aminozuren kunnen†deze ketens chemische reacties versnellen, wat RNA allťťn niet kan. Daarom hebben de zwarte ketens een evolutionair voordeel.

Door mutaties ontstaat ook een andere, langere†keten RNA (de gele keten). Deze keten kan twee aminozuren aan elkaar koppelen die gebonden zijn door twee verschillende zwarte ketens.

De gele keten RNA koppelt het rode en blauwe aminozuur aan elkaar, hierbij laat ťťn zwarte keten los.†

Door het samenkoppelen van aminozuren ontstaat langzaam een hele keten van aminozuren: een eiwit.

Door verdere evolutie ontwikkelen de zwarte ketens zich langzaam tot een soort klaverblad vorm. Op de steel zit een bepaald aminozuur (blauwe bol) en op ťťn van zijn blaadjes een code, bijvoorbeeld UAC. Omdat U alleen op A wil plakken (en dus A op U) en C alleen op G, zal het UAC van de zwarte keten aan de†AUG van de groene keten binden.

De zwarte keten RNA zoekt een bepaald aminozuur (bolletje) bij een bepaalde volgorde van het groene RNA. Voor andere codes zijn er weer andere zwarte ketens.

We noemen AUG een codon en de passende UAC een anti-codon. Andere zwarte ketens hebben andere aminozuren. Steeds hoort een bepaalde anti-code bij een bepaald aminozuur. Zo zorgt de zwarte keten voor een specifiek aminozuur bij een bepaalde volgorde op de groene keten.

Op deze manier ontstaat er een machine die de instructies van de groene keten kan omzetten naar een eiwit met een bepaalde volgorde van aminozuren.

Een eiwit producerende machine. De zwarte ketens RNA brengen het juiste aminozuur (bolletje) bij een codon van de groene keten. De gele keten koppelt de bolletjes aanelkaar. Nadien laten de losse zwarte ketens weer los.

De verschillende ketens zien we nog terug in de huidige cellen. De zwarte ketens zien we nu terug in transfer-RNA (tRNA), de gele ketens in ribosomaal-RNA (rRNA) en boodschapper-RNA (mRNA).††

Een eiwit kan bestaat uit twintig soorten bouwstenen (hier aangegeven met bolletjes) die veel verschillende eigenschappen hebben. Hierdoor zijn eiwitten veelzijdiger in het versnellen van chemische reacties dan RNA.

Ontstaan van stofwisseling

Nucleotiden, de grondstoffen van RNA, zijn energierijke moleculen. Omdat er veel energie nodig is om ze te laten ontstaan, waren er maar weinig van. Door het gebrek aan grondstoffen ging de vermenigvuldiging van RNA maar langzaam.

Door mutaties ontstonden biopolymeren die iets bijzonders konden. Ze konden stoffen, die leken op de bouwstoffen, omzetten naar de†bouwstoffen. Deze biopolymeren groeiden sneller dan de anderen, omdat ze†meer bouwstoffen tot hun beschikking kregen. Het maken van de bouwstenen gaf hen dus een evolutionair voordeel.

Door verdere evolutie, konden uiteindelijk steeds meer bouwstoffen gemaakt worden. Ook werden bouwstenen gemaakt uit veel aanwezige†voedingsstoffen,†zoals suikers.

Het zelf produceren van de bouwstoffen heeft duidelijk voordelen, wel was energie nodig om de bouwstoffen te maken. Deze energie kwam vrij bij de afbraak van†andere organische moleculen.

Schema van de stofwisseling van het leven. Het maken (opbouw) van bouwstoffen is anabolisme (blauw). Het afbreken van stoffen om energie vrij te maken†heet catabolisme (rood).†

In een later stadium ontstond ook fotosynthese, een mechanisme†dat nuttige energie kan vrijmaken uit licht. Het totaal van het maken van bouwstoffen en het†vrijmaken van energie heet metabolisme of stofwisseling.



Ontstaan van het membraan

Onbeschermd RNA†was kwetsbaar voor gevaren van buitenaf.†Een lage pH†en zware metalen konden het RNA afbreken. Door deze gevaren had het evolutionair voordeel om een beschermingsmantel te maken. Zo'n mantel ontstond inderdaad: het celmembraan. Dit membraan ontstond uit vetachtige stoffen, die al in de buurt van het RNA aanwezig waren.

Hoe vormden die vetachtige stoffen dan een membraan?

De opbouw van een membraan

Bepaalde vetachtige stoffen (fosfolipiden) hadden een polaire kop, die in water wil zijn, en twee apolaire (vettige) staarten, die water afstoten.

Schematische voorstelling van een molecuul van een vetachtige stof.

Als de vetachtige stof in water zat, gingen de staarten bij elkaar zitten om contact met water te vermijden. Een manier om dat te doen was door een dubbellaag te maken.

De vetachtige stof vormt een dubbellaag

Deze dubbellaag kon een bolletje vormen. Alle koppen†hadden contact met water en alle staarten hadden alleen†contact met andere staaten.

De dubbellaag maakt een bolletje, zodat de staarten helemaal van het water zijn afgescheiden. (Afbeelding uit Hazen)

Door deze stappen was een membraan ontstaan. Dit membraan is een omhulsel om een cel. Dit omhulsel kan vanzelf vormen, als de concentratie bouwstenen (fosfolipiden) hoog genoeg was.

Door het membraan had de cel nu een afscheiding tussen een†binnen en buiten. Het membraan laat alleen bepaalde stoffen door en hield sommige schadelijke†stoffen buiten. Zo had de cel†meer controle over de interne omstandigheden.




Ontstaan van DNA als informatiedrager.

Door de evolutie ontstonden er steeds langere ketens RNA. RNA†is niet erg stabiel. Lange ketens RNA vallen relatief snel uit elkaar. DNA is veel stabieler.

Wat is DNA?

DNA is net als RNA een keten van nucleotiden. DNA heeft in vergelijking alleen een andere suiker, deoxiribose in plaats van ribose, en een andere base, thymine in plaats van uracil. Door deze aanpassingen zit DNA meestal in†ťťn structuur: de dubbele helix. Maar hoe kwam de cel aan DNA? Er kwam hulp uit onverwachte hoek: van virussen.

Virussen

Een virus is een stuk erfelijk materiaal verpakt in eiwit, dat een gastheercel†nodig heeft om zich te kunnen vermenigvuldigen. Het erfelijk materiaal bestaat uit of RNA of DNA. Virussen waren waarschijnlijk de eerste, die DNA als erfelijk materiaal gebruikten.

Een virus is een stuk erfelijk materiaal verpakt in eiwit.

De DNA-virussen zijn waarschijnlijk ontstaan doordat een viruseiwit de halffabrikaten van RNA kon omzetten naar die van DNA. Doordat DNA veel stabieler was dan RNA, waren de DNA-virussen in het voordeel in vergelijking tot RNA-virussen.

Deze virussen hebben waarschijnlijk het RNA van een gastheer 'per ongeluk' omgezet in DNA. DNA was hierna een back-up voor de genetische informatie. Dit gaf die gastheer een evolutionair voordeel, want als zijn onstabiele RNA uit elkaar was gevallen, maakte hij gewoon nieuwe met zijn DNA-backup.

Conclusie

Met het totaal van deze stappen ontstond de prokaryote cel. De cel was beschermd tegen de buitenwereld, kon bouwstenen uit voedsel maken, had chemische stabiel erfelijk materiaal en was efficiŽnt in de katalyse van reacties.


Variatie

De prokaryote cellen waren erg succesvol en ze verspreidden zich over de aarde. Hierdoor kwamen ze in aanraking met verschillende omstandigheden, zoals zouten en hitte. Aanpassing aan de verschilende omstandigheden†zorgde voor het ontstaan van variatie in prokaryote cellen.

CyanobacteriŽn, fotosynthetische bacteriŽn.

Er ontstonden bijvoorbeeld cyanobacteriŽn, die†met fotosynthese†zuurstof kunnen produceren en aerobe bacteriŽn, die deze zuurstof konden gebruiken voor verbranding.

Naar de tijdlijn††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† Naar de volgende stap

Februari 2007
Redactie Natuurinformatie Naturalis