Afbeelding in de hoofding: De glucose molecule is een universele bron van chemische energie voor alle levende cellen op Aarde, zowel met of zonder zuurstof. Bron: https://www.instagram.com/p/Cx7u7R5RkDm/ (@Microbiologyupdate).
Op een planeet waar leven is wordt de koolstof van CO2 massaal gereduceerd door dat leven. Enerzijds om biomoleculen van te maken, waar de levende cel haar lichaam uit opbouwt. Anderzijds om die molecule met gereduceerde koolstof terug af te breken (terug te oxideren) en er zo energie uit te oogsten. het schema hieronder geeft dat kort samengevat weer. We komen verder terug op dat schema.
CO2 is overal te vinden in het Zonnestelsel (en daarbuiten) in grote hoeveelheden. Het is zeer algemeen. Het wordt ook zonder leven (abiotisch) gereduceerd in spontane reacties, maar niet zo massaal als door leven. De spontaan gereduceerde koolstof komt voor in een grote diversiteit aan moleculen, maar niet in grote complexere organische moleculen, niet in grote ‘biomoleculen’ dus. Er zijn al heel veel organische moleculen ontdekt op planetoïden en kometen. Eén van de meest frapante recente ontdekkingen komt van het sample dat op Aarde gebracht werd door de OSIRIS-REX missie (NASA) van de planetoïde Bennu. in deze sample werden alle vijf de nucleotiden gevonden waaruit DNA en RNA gemaakt zijn, en ook nog eens 14 van de 20 aminozuren waar het aardse leven alle proteïnen mee opbouwt. Het mag dus duidelijk zijn dat koolstof spontaan kan gereduceerd worden zonder tussenkomst van leven, en dat zelfs de meeste basis-eenheden waaruit biomoleculen gemaakt zijn wel degelijk kunnen ontstaan zonder leven (abiotisch). Maar nogmaals: het massaal reduceren van koolstof om er vervolgens even massaal meer complexe biomoleculen mee te maken, dat doet alleen leven voor zover we weten.
Nu gaan we even terug naar het schema dat een overzicht geeft van alle metabolisme. Het toont hoe levende cellen de veel voorkomende geoxideerde vorm van koolstof – CO2 – gebruiken om enerzijds het eigen lichaam op te bouwen, en anderzijds om energie te oogsten uit de gereduceerde vorm van koolstof. GLUCOSE is de molecule die symbool staat in het schema voor de gereduceerde vorm van koolstof. Maar hoe kan deze eenvoudige molecule nu staan voor een supercomplex gegeven als levende cellen met al hun chemische activiteit? Het leven is opgebouwd uit vier grote groepen biomoleculen (vetten, suikers, proteïnen, nucleinezuren), niet gewoon uit glucose. Hoe zit dat dan?
Het zeer uitgebreid en volledig antwoord is te vinden op de wereldberoemde poster van Roche Biochemical Pathways. Liefhebbers die deze poster nog niet thuis hebben, moeten die zo snel mogelijk bestellen via de knop hieronder. Ze leveren hem gratis per post! Je kan hier op astrobiologie.be ook al de digitale afbeelding ervan downloaden.
Het is een overzicht van alle essentiële biochemische stappen die levende cellen gebruiken om van glucose of ander voedsel alle biomoleculen te maken die ze nodig hebben. Door bepaalde wegen te volgen die op de poster staan, kan je in principe gelijk welke vetten, proteïnen, nucleinezuren of suikers maken die je maar wilt. En levende cellen zijn zo gebouwd, dat ze alle enzymen en structuren hebben om die bepaalde biochemische wegen (‘pathways’) te kunnen doorlopen. Ook de omgekeerde richting is mogelijk. Als wij andere organismen opeten, dan kunnen we al die opgegeten biomoleculen in onze cellen terug omzetten in glucose of in andere biomoleculen.
Waarom werd glucose uitgekozen als startpunt voor elke biochemische weg die nodig is? Wel, glucose is effectief de start van de meest gebruikte wegen (‘pathways’) door het leven op Aarde. We gaan in deze cursus zeer beknopt samengevat toch eens kijken welke wegen dat voornamelijk zijn. Verder in dit ‘hoofdstuk ‘deel 2’ bespreken we verschillende voorbeelden.
Autotrofen zijn de ‘producenten’
We kunnen het onderstaand schema verdelen in een linkse en rechtse helft. Niet alle leven kan het schema van links naar rechts volledig doorlopen.
Voor de linkse helft: om CO2 (geoxideerde koolstof) te kunnen omzetten in glucose (gereduceerde koolstof), moet je behoren tot de ‘autotrofe’ organismen. Autotroof betekent letterlijk zelfvoedend. Deze organismen zijn in staat om zelf CO2 uit de lucht of het water te reduceren, dus een electron toe te voegen aan de koolstof. Na vele tussenstappen ontstaat de start-molecule glucose, waar alle leven mee verder kan als basisvoedsel. We noemen dit proces ook ‘koolstoffixatie’. Er zijn in totaal op Aarde 6 manieren bekend om aan koolstoffixatie te doen. Alle 6 gebruiken ze energie uit de omgeving en pakken ze een elektron van een andere molecule uit de omgeving om de reductie van koolstof mogelijk te maken. Die molecule waar ze een elekton van pakken, noemen we de elektron-donor. Sommige gebruiken voor dit proces lichtenergie (fotosynthese), andere gebruiken bindingsenergie uit moleculen uit de omgeving (chemosynthese). We gaan van beiden voorbeelden bespreken onder ‘mijlpalen’ van het leven op Aarde. De organismen die aan koolstoffixatie kunnen doen, zorgen dus voor het voedsel voor iedereen: voor zichzelf en voor alle heterotrofe (= niet-autotrofe) organismen. We noemen ze daarom ook de ‘producenten’.
Iedereen is ‘consument’
Autotrofen zijn dus in staat om koolstof te fixeren (de linkerzijde: van CO2 naar glucose). Heterotrofen kunnen dit niet, en moeten zich dus altijd voeden met biomoleculen die ooit door autotrofen aangemaakt zijn. Heterotrofen zitten alleen aan de rechterkant van het schema, waar enerzijds uit glucose biomoleculen gemaakt worden (vetten, DNA/RNA, suikers en proteïnen) en anderzijds glucose wordt afgebroken om er energie uit te oogsten. Die energie wordt altijd opgeslaan in ATP-moleculen (zie verder). De biomoleculen om het cellichaam op te bouwen worden gemaakt vanuit allerlei tussenproducten die uit de afbraak van glucose ontstaan. De opbouw van nieuwe biomoleculen noemen we anabolisme (het ‘opbouwende’ deel van metabolisme). Omdat heterotrofen het voedsel gebruiken die oorspronkelijk door autotrofen gemaakt werd, worden ze consumenten genoemd.
Maar vergis je niet, de autotrofen zijn natuurlijk zelf ook consumenten. Ook zij voeren de rechterkant van het schema uit. Elke levende cel moet haar lichaam opbouwen door allerlei biomoleculen aan te maken, en elke levende cel heeft constant energie (ATP) nodig om in leven te blijven en alles te doen wat een cel doet. Met andere woorden: alle levende wezens op Aarde zijn consumenten, en slechts een deel zijn ook nog eens producenten.
Herinner je dat de autotrofen van één of andere externe molecule (de elektron donor) een elektron leenden om koolstof te reduceren. Je zal zien bij de voorbeelden later dat op het einde van de rit, na de afbraak van glucose (katabolisme) uiteindelijk een elektron terug wordt gegeven aan een andere molecule, de elektron acceptor. Het bekendste voorbeeld van zo’n elektron acceptor is zuurstof, de reden waarom wij ademen. Als het elektron aan zuurstof is afgegeven, gaat het omgezet zijn in H2O, water dus.
De Aarde vandaag met planten en dieren
Op Aarde wordt het leven gedomineerd door twee varianten van de hierboven beschreven principes. De koolstoffixatie gebeurt voornamelijk door fotosynthese waarbij water de elektron-donor is, en waarbij zuurstofgas wordt uitgestoten. Dit is het werk van de dominante producenten, namelijk alle planten en de cyanobacteriën. De dominante consumenten zijn dan weer alle organismen die andere organismen opeten (heterotrofen) en aan ademhaling doen met zuurstofgas (aerobe respiratie). Zuurstof is hier de elektron-acceptor. Alle complexe levensvormen doen dit: planten, dieren, zwammen, en complexe eencelligen. Daarnaast zijn er ook nog heel wat Bacteriën en Archaea die dit ook doen.
Dat deze vormen van metabolisme dominant zijn bij het aardse leven is niet altijd zo geweest. En in de hele geschiedenis van de Aarde zijn ook andere vormen van metabolisme blijven bestaan en van belang geweest in de hele cyclus van voedingsstoffen en energiehuishouding. Ook vandaag is dat nog zo. Voor astrobiologen is het van cruciaal belang om al die diverse vormen van metabolisme ten gronde te begrijpen. We hebben het nodig om het ontstaan van leven op een planeet te begrijpen, en om in te schatten welke plekken leefbaar zijn of niet. Heel wat organismen leven op extreme plaatsen waar alternatieve vormen van metabolisme vereist zijn om te overleven. We kunnen ons zeker niet beperken tot omstandigheden zoals op de huidige planeet Aarde, waar zonlicht en zuurstof overvloedig beschikbaar zijn.