Übergangsmetall-katalysierte Entstehung von Biomolekülen

Dr. Claudia Huber, Dr. Günter Wächtershäuser

Das Forschungsprogramm basiert auf den Pionierarbeiten von Hans Fischer zur Rolle von Übergangsmetallzentren in der bioorganischen Chemie.

Die Elemente des Lebens zerfallen im Wesentlichen in zwei Gruppen: Die Nichtmetall-Hauptgruppen-Elemente H, C, O, N, P, S, und Se bilden die organischen Strukturen des Lebens und damit den Hauptanteil der Biomasse. Die Übergangmetall-Nebengruppen-Elemente bilden katalytisch wirksame Komplexe.

Die Geschichte der Erforschung des Lebensursprungs ist durch einen besonderen Zufall gekennzeichnet: Das heute noch dominierende Forschungsprogramm („Ursuppe“, „RNA-Welt“) wurde zu einer Zeit konzipiert, ehe noch die Biochemie der Übergansmetalle, beginnend mit den Arbeiten von Hans Fischer, entwickelt wurde und ins Bewusstsein der Biologie dringen konnte.

Das Forschungsprogramm der „Eisen-Schwefel-Welt“ Theorie postuliert, dass von Anfang an eine Dichotomie zwischen Nichtmetall-Elementen und Übergangsmetall-Elementen bestimmend war. Als Quelle von Ersteren werden Vulkangase (CO2, CO, H2, NH3, HCN, H2S, COS und CH3SH) angenommen, während die Quelle der Übergansmetalle den Mineralien der Erdkruste zugeordnet wird.

Das experimentelle Programm zielt ab auf die Synthese von bioorganischen Verbindungen aus den vorgenannten Vulkangasen (insbesondere CO, HCN, CH3SH, auch markiert mit stabilen Isotopen) unter Katalyse durch Übergangsmetallverbindungen insbesondere der Metalle der Eisengruppe (Fe, Co, Ni). Es wurde bisher die Synthese von Acetylthioester, Hydroxysäuren, Aminosäuren und deren Derivaten, z.T. bei Temperaturen weit über 100 °C, nachgewiesen.

Es wird u.a. untersucht:

1. Wie das Produktspektrum von den Ausgangsverbindungen, den Synthesebedingungen und den Katalysatoren abhängt.

2. Wie CO und HCN als C-Quellen zusammenspielen.

3. Welche Rolle die Vorstufen bei der Bildung von Schwefelverbindungen spielen.

4. Unter welchen Umständen die gebildeten bioorganischen Verbindungen als Liganden auf die Übergangsmetallzentren zurückkoppeln unter Steigerung der Bildungsraten.

Es ist bekannt, dass Aminosäuren und Hydroxysäuren Komplexe mit den Metallen der Eisengruppe bilden. Eine solche Produktkopplung wird als erster Reproduktionsmechanismus der Evolution des Lebens angesehen.

Von dieser Ausgangsstufe stellt sich dann die Evolution der Biochemie im wesentlichen dar als eine Evolution der Liganden der Übergangsmetalle: Im Falle des Eisens über Liganden der Fe-S-Cluster zu den Tetrapyrrolen des Häms und Sirohäms; im Falle des Kobalts zum Tetrapyrrol des Cobalamins; und im Falle des Nickels von Liganden des Fe,Ni,S-Clusters der Hydrogenasen, CO-Dehydrogenasen und Acetyl-CoA Synthasen zum Tetrapyrrol des Faktors F430.

Literatur:

Huber C, Kraus F, Hanzlik M, Eisenreich W, Wächtershäuser G.
Elements of metabolic evolution.
Chemistry 18, 2063-2080 (2012)

Huber C, Eisenreich W, Wächtershäuser G.
Synthesis of alpha-amino and alpha-hydroxy acids under volcanic conditions: implications for the origin of life.
Tet. Lett. 51, 1069-1071 (2010).

Huber C, Wächtershäuser G.
alpha-Hydroxy and alpha-amino acids under possible Hadean, volcanic origin-of-life conditions.
Science 314, 630-632 (2006).

Huber C, Eisenreich W, Hecht S, Wächtershäuser G.
A possible primordial peptide cycle.
Science 301, 938-940 (2003).

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