Afbeelding in de hoofding: Chiraliteit. Bron: https://astrobiology.com/2023/03/solving-the-mystery-of-left-handed-amino-acids-in-primordial-rna-reactions.html
We hebben al enkele bijzondere biochemische kenmerken van het leven besproken die bij het aardse leven universeel zijn: metabolisme met elektronen overdracht (redox: koolstof reductie en oxidatie), ATP als energie-eenheid, NAD als redox kampioen, en ‘Proton Motive Force’ (PMF) en ‘Electron Transport Chain’ (ETC). Er zijn er nog heel wat andere, maar die behandel ik hier niet verder omdat we die in de rest van de cursus minder zullen nodig hebben. Wel loont het de moeite om even op te sommen welke andere belangrijke eigenschappen van celbiologie nog universeel zijn over heel de Aarde.
Nucleïnezuren DNA en RNA, proteïnen en ribosomen.
Alle cellen op Aarde bevatten genetische informatie in DNA. Deze info wordt eerst omgezet in RNA en vervolgens vertaald in ketens van aminozuren die eiwitten of proteïnen genoemd worden. Levende cellen gebruiken een quasi oneindig divers gamma aan proteïnen voor zowat alles wat een cel uitvoert van chemische reacties (dan gaat het over enzymen) en ook om het cellichaam structureel op te bouwen. Elke cel beschikt over heel ingenieuze microscopisch kleine machientjes die deze proteïnen kunnen aanmaken aan hoge snelheid. Dat zijn de ribosomen. Deze zijn zelf opgebouwd uit proteïnen en RNA. De procedure om informatie in het DNA om te zetten in proteïnen is sterk gereguleerd. Het is een belangrijke manier voor de cel om te reageren op haar omgeving.
Omdat de hoofdlijnen van de procedure DNA – mRNA – ribosomen & tRNA – proteïnen ook weer helemaal universeel is voor elke gekende cel, wordt dit “het centraal dogma” genoemd in de biologie. Zelf heb ik nooit begrepen waarom je deze naam zou kiezen. Ik vind het woord ‘dogma’ niet thuishoren in de wetenschap. Ik hou dus niet van deze term, maar hij is bedacht door één van de ontdekkers van DNA zelf, Francis Crick. Hij heeft natuurlijk veel meer impact op de bioldogie gehad dan ik, dus ik zal mij er maar bij neerleggen. En het is natuurlijk ook wel echt revolutionair geweest, die ontdekking van het DNA en de werking van proteïnenproductie. De biologie is er grondig door vernieuwd.
Selectief in aminozuren
Wanneer aminozuren aan elkaar gehangen worden in de ribosomen, ontstaat een polypeptide. Een soort parelsnoer van aminozuren dat soms wel honderden ‘parels’ kan bevatten. Na vasthechting van het laatste aminozuur, zal de polypeptide los komen en zich opvouwen, al dan niet gecombineerd met nog andere polypeptiden. Dan is het proteïne klaar.
Wat ook nog opmerkelijk universeel is: alle polypeptiden worden opgebouwd met een selectie uit 20 aminozuren. Er bestaan er nochtans meer in onze wereld, maar het leven op Aarde heeft er blijkbaar voor gekozen om alleen die 20 aminozuren te gebruiken, en geen andere. Blijkbaar moet de genetische code (zowel DNA als mRNA en tRNA) in het begin uitgeselecteerd zijn voor deze 20, en zou het te onwaarschijnlijk geweest zijn voor biologisch evolutie om er nadien nog andere te gebruiken, en daarvoor dan de cel-machinerie aan te passen. De 20 gebruikte aminozuren kunnen spontaan ontstaan zonder leven. Dat werd onder meer aangetoond in de beroemde Urey-Miller experimenten. Ze zijn ook chemisch stabiel, en elke eigenschap die je kan nodig hebben voor diverse proteïnen komen voor in die reeks van 20 (hydrofiel, hydrofoob, positieve en negatieve ladingen, aromatische ringen).
Uitsluiting van 1 van de 2 spiegelbeelden
En dit is niet de enige vreemde selectie die het leven gemaakt heeft in het begin. De asymmetrische aminozuren kunnen bestaan in 2 vormen: L en R. De chemische samenstelling van deze 2 vormen is gelijk, maar de twee zijn wel spiegelbeeld van elkaar. Vergelijk het met je linker- en rechterhand. We noemen zo een paar stereo-isomeren. Nu blijkt dat alle leven op Aarde alleen maar aminozuren wilt gebruiken in de L-vorm! Of dit toeval is of niet, weten we vandaag nog steeds niet zeker. Alle proteïnen die we kennen bestaan uitsluitend uit L-varianten van aminozuren. Mocht er een D-variant worden ingebouwd, dan zou de protëine niet correct worden gevouwen tot de exacte gewenste 3D-structuur.
Het uitsluitend gebruiken van L-aminozuren noemen we ‘homochiraliteit’. Het leven op Aarde is niet alleen homochiraal voor aminozuren, maar ook voor suikers! Alleen de D-vorm van de gebruikte en aangemaakte suikers mogen meedoen. De enzymen die alle levensprocessen uitvoeren, zijn zo ontworpen dat alleen D-suikers erin passen en hun spiegelbeeld niet.
Halfdoorlatende membranen
Alle levende cellen die we kennen zijn omgeven door een fosfolipiden membraan. Fosfolipiden zijn vrij grote moleculen die aan de ene kant een fosfaat dragen, en aan de andere kant lange vetzuren. Die vetzuren zijn hydrofoob: ze komen niet overeen met water (ze zijn apolair, en water is polair). Iedereen weet dat als je olie bij water giet, dat de olie zich dan gaat groeperen in druppeltjes om zo weinig mogelijk met het water in contact te komen. Water en vetzuren mengen niet goed. De kop van de fosfolipen (die de fosfaat draagt) is wel polair, en voelt zich prima tussen watermoleculen. De kop is dus hydrofiel. Dus deze moleculen zijn aan de ene kant hydrofoob, en aan de andere kant hydrofiel. Daarom zullen ze zich in water heel spontaan zo rangschikken dat alle hydrofobe ‘staarten’ (de apolaire vetzuren) naar elkaar gericht zijn, en alle fosfaat-koppen naar de buitenkant, dus naar het omgevende water. Zo wordt een celmembraan gevormd.
Zulke membranen zijn om vele redenen ideaal. Ze zijn bijvoorbeeld semi-permeabel (ze laten sommige kleine molculen zoals water door en andere niet), interessant voor osmose. Ze zijn ook ideaal om bepaalde enzymen in te verankeren, die dan tranport van bepaalde stoffen naar binnen of naar buiten helemaal kunnen regelen. En je kan er een elektrisch potentiaal rond opbouwen (een soort batterijtje), zoals we gezien hebben bij 2.6.
Betekent ‘universeel’ ook ‘onvermijdelijk’?
Al dit soort universele levenskenmerken zijn eigenschappen waar een astrobioloog extra aandacht voor heeft. Als alle cellen het heel trouw op deze unieke manier doen, dan moet het immers wel voorbestemd zijn dat dit de best mogelijke manier is. Dat suggereert dat buienaards leven ook wel eens tot deze oplossingen zou kunnen gekomen zijn. Zolang we geen buitenleven gevonden hebben blijft dit natuurlijk onbewezen.