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5.5: Erste organische Moleküle - Biologie

5.5: Erste organische Moleküle - Biologie


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Wie macht man große Moleküle?

Von kleineren. Die ersten organischen Moleküle waren wahrscheinlich sehr einfache Moleküle auf Kohlenstoffbasis, die aus wenigen Atomen bestanden. Diese Moleküle kombinierten sich dann mit anderen einfachen Molekülen, um komplexere Moleküle zu bilden. Über viele Jahre und wahrscheinlich Billionen und Aberbillionen chemischer Reaktionen sind komplexere Moleküle und stabilere Moleküle entstanden.

Die ersten organischen Moleküle

Alle Lebewesen bestehen aus organische Moleküle, zentriert um das Element Kohlenstoff. Daher ist es wahrscheinlich, dass sich organische Moleküle vor Zellen entwickelt haben, vielleicht schon vor 4 Milliarden Jahren. Wie sind diese Bausteine ​​des Lebens entstanden?

Wissenschaftler glauben, dass Blitze chemische Reaktionen in der frühen Erdatmosphäre ausgelöst haben. Die frühe Atmosphäre enthielt Gase wie Ammoniak, Methan, Wasserdampf und Kohlendioxid. Wissenschaftler vermuten, dass dadurch eine „Suppe“ organischer Moleküle aus anorganischen Chemikalien entstand.

1953 nutzten die Wissenschaftler Stanley Miller und Harold Urey ihre Vorstellungskraft, um diese Hypothese zu testen. Sie erstellten ein Simulationsexperiment, um zu sehen, ob auf diese Weise organische Moleküle entstehen könnten (siehe Abbildung unter). Sie verwendeten eine Mischung von Gasen, um die frühe Atmosphäre der Erde darzustellen. Dann leiteten sie Funken durch die Gase, um Blitze darzustellen. Innerhalb einer Woche hatten sich mehrere einfache organische Moleküle gebildet.

Eine Dramatisierung des Experiments von Miller und Urey können Sie sich unter diesem Link ansehen: https://www.youtube.com/watch?v=NNijmxsKGbc.

Welches organische Molekül war zuerst da?

Lebewesen brauchen organische Moleküle, um genetische Informationen zu speichern und die chemische Arbeit der Zellen zu verrichten. Moderne Organismen verwenden DNA, um genetische Informationen zu speichern, und Proteine, um chemische Reaktionen zu katalysieren. Haben sich also zuerst DNA oder Proteine ​​entwickelt? Das ist, als würde man fragen, ob das Huhn oder das Ei zuerst da war. DNA kodiert Proteine ​​und Proteine ​​werden benötigt, um DNA herzustellen, also braucht jede Art von organischem Molekül den anderen für seine eigene Existenz. Wie konnte sich eines dieser beiden Moleküle vor dem anderen entwickelt haben? Hat sich anstelle von DNA oder Proteinen zuerst ein anderes organisches Molekül entwickelt?

RNA-Welt-Hypothese

Einige Wissenschaftler spekulieren, dass RNA möglicherweise das erste organische Molekül war, das sich entwickelt hat. Tatsächlich glauben sie, dass das frühe Leben ausschließlich auf RNA beruhte und dass sich DNA und Proteine ​​später entwickelten. Das nennt man RNA-Welthypothese. Warum RNA? Es kann genetische Anweisungen codieren (wie DNA) und einige RNAs können chemische Reaktionen ausführen (wie Proteine). Daher löst es das Henne-Ei-Problem, welches dieser beiden Moleküle zuerst kam. Andere Beweise deuten auch darauf hin, dass RNA das älteste der organischen Moleküle sein könnte. Sie können mehr über die RNA-Welt-Hypothese und die Beweise dafür unter diesem Link erfahren: http://www.youtube.com/watch?v=sAkgb3yNgqg.

Zusammenfassung

  • Die ersten organischen Moleküle entstanden vor etwa 4 Milliarden Jahren.
  • Dies könnte passiert sein, als Blitze chemische Reaktionen in der frühen Erdatmosphäre auslösten.
  • RNA könnte das erste organische Molekül gewesen sein, das sich gebildet hat, sowie die Grundlage für frühes Leben.

Erkunde mehr

Verwenden Sie den Zeitschieberegler in dieser Ressource, um die folgenden Fragen zu beantworten.

  • Evolution unter http://johnkyrk.com/evolution.swf.
  1. Wann ist das Element Kohlenstoff zum ersten Mal entstanden?
  2. Wann erschienen die ersten Elemente in der Erdatmosphäre und auf ihrer Oberfläche?
  3. Liste 5 dieser frühen Chemikalien auf.
  4. Wann erschienen die ersten organischen Moleküle?
  5. Was waren diese ersten organischen Moleküle? Wie haben sich diese organischen Moleküle angesammelt?

Rezension

  1. Beschreiben Sie das Experiment von Miller und Urey. Was hat es gezeigt?
  2. Geben Sie die RNA-Welthypothese an.

Unterschied zwischen organischen und anorganischen Molekülen

Alle Moleküle lassen sich weitgehend in zwei Gruppen einteilen, in organische und anorganische. Es gibt verschiedene Studiengebiete, die um diese beiden Arten von Molekülen herum entwickelt wurden. Ihre Strukturen, ihr Verhalten und ihre Eigenschaften unterscheiden sich voneinander.

Organische Moleküle

Organische Moleküle sind Moleküle, die aus Kohlenstoff bestehen. Organische Moleküle sind die am häufigsten vorkommenden Moleküle in Lebewesen auf diesem Planeten. Zu den wichtigsten organischen Molekülen in Lebewesen gehören Kohlenhydrate, Proteine, Lipide und Nukleinsäuren. Nukleinsäuren wie DNA enthalten genetische Informationen von Organismen. Kohlenstoffverbindungen wie Proteine ​​sind strukturelle Bestandteile unseres Körpers und sie bilden Enzyme, die alle Stoffwechselfunktionen katalysieren. Organische Moleküle liefern uns Energie, um alltägliche Funktionen auszuführen. Es gibt Hinweise darauf, dass bereits vor mehreren Milliarden Jahren kohlenstoffhaltige Moleküle wie Methan in der Atmosphäre existierten. Diese Verbindungen mit der Reaktion mit anderen anorganischen Verbindungen waren für die Entstehung von Leben auf der Erde verantwortlich. Wir bestehen nicht nur aus organischen Molekülen, sondern es gibt auch viele Arten organischer Moleküle um uns herum, die wir täglich für verschiedene Zwecke verwenden. Die Kleidung, die wir tragen, besteht entweder aus natürlichen oder synthetischen organischen Molekülen. Viele der Materialien in unseren Häusern sind ebenfalls biologisch. Benzin, das Autos und andere Maschinen mit Energie versorgt, ist organisch. Die meisten Medikamente, Pestizide und Insektizide, die wir einnehmen, bestehen aus organischen Molekülen. Daher sind organische Moleküle mit fast jedem Aspekt unseres Lebens verbunden. Daher hat sich ein eigenes Fach wie die organische Chemie entwickelt, um diese Verbindungen kennenzulernen. Im 18. und 19. Jahrhundert wurden wichtige Fortschritte bei der Entwicklung qualitativer und quantitativer Methoden zur Analyse organischer Verbindungen erzielt. In dieser Zeit wurden empirische Formeln und Summenformeln entwickelt, um Moleküle getrennt zu identifizieren. Das Kohlenstoffatom ist vierwertig, sodass es nur vier Bindungen um es bilden kann. Und ein Kohlenstoffatom kann auch eine oder mehrere seiner Wertigkeiten verwenden, um Bindungen zu anderen Kohlenstoffatomen zu bilden. Kohlenstoffatome können mit einem anderen Kohlenstoffatom oder einem beliebigen anderen Atom entweder Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindungen bilden. Kohlenstoffmoleküle haben auch die Fähigkeit, als Isomere zu existieren. Diese Fähigkeiten ermöglichen es dem Kohlenstoffatom, Millionen von Molekülen mit unterschiedlichen Formeln herzustellen. Kohlenstoffmoleküle werden grob in aliphatische und aromatische Verbindungen eingeteilt. Sie können auch als Verzweigungen oder unverzweigt kategorisiert werden. Eine andere Kategorisierung basiert auf der Art der funktionellen Gruppen, die sie haben. In dieser Kategorisierung werden organische Moleküle in Alkane, Alkene, Alkine, Alkohole, Ether, Amine, Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren, Ester, Amide und Halogenalkane unterteilt.

Anorganische Moleküle

Diejenigen, die nicht zu organischen Molekülen gehören, werden als anorganische Moleküle bezeichnet. Hinsichtlich der assoziierten Elemente gibt es bei anorganischen Molekülen eine große Vielfalt. Mineralien, Wasser, die meisten der reichlich vorhandenen Gase in der Atmosphäre sind anorganische Moleküle. Es gibt anorganische Verbindungen, die auch Kohlenstoff enthalten. Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Carbonate, Cyanide, Carbide sind einige der Beispiele für diese Arten von Molekülen.

Was ist der Unterschied zwischen organischen Molekülen und anorganischen Molekülen?

• Organische Moleküle basieren auf Kohlenstoff und anorganische Moleküle basieren auf anderen Elementen.

• Es gibt einige Moleküle, die als anorganische Moleküle gelten, obwohl sie Kohlenstoffatome enthalten. (z. B. Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Carbonate, Cyanide und Carbide). Daher können organische Moleküle spezifisch als Moleküle mit C-H-Bindungen definiert werden.

• Organische Moleküle kommen hauptsächlich in lebenden Organismen vor, während anorganische Moleküle in nicht lebenden Systemen am häufigsten vorkommen.

• Organische Moleküle haben hauptsächlich kovalente Bindungen, während es bei anorganischen Molekülen kovalente und ionische Bindungen gibt.

• Anorganische Moleküle können keine langkettigen Polymere bilden wie organische Moleküle.


Stickstoffkreislauf (mit Diagramm) | Pflanzenphysiologie

Stickstoff ist das vierthäufigste Element in lebenden Systemen. Es ist Bestandteil einer Reihe von organischen Verbindungen wie Aminosäuren, Proteinen, Nukleotiden, Nukleinsäuren, Hormonen, Chlorophyll, vielen Vitaminen usw.

Ihre Verfügbarkeit aus dem Boden ist jedoch begrenzt und selbst dafür müssen Pflanzen sowohl in natürlichen als auch in landwirtschaftlichen Ökosystemen mit Mikroben konkurrieren. Stickstoff ist in der Atmosphäre reichlich vorhanden (78% der Atmosphäre als Distickstoff oder N2), aber Pflanzen können diese nicht direkt aufnehmen.

Daher ist Stickstoff das kritischste Element. Durch den Stickstoffkreislauf wird eine regelmäßige Stickstoffversorgung der Pflanzen aufrechterhalten. Stickstoffkreislauf ist die regelmäßige Zirkulation von Stickstoff zwischen lebenden Organismen, Reservoirpools in der Atmosphäre und Kreislaufpools in der Lithosphäre. Stickstoffverbindungen werden aus dem Reservoirpool durch Stickstofffixierung gewonnen.

Der Reservoirpool wird durch Denitrifikation von Nitraten und Freisetzung von Stickstoff aus zerfallendem organischem Material wieder aufgefüllt. Das Radsportbecken wird durch Ammonifikation und Nitrifikation ergänzt. Pflanzen gewinnen Stickstoff aus dem Boden als NO3 – (Nitrat), NH4 + (Ammonium) und NO2– (Nitrit)-Ionen. Nitrat und Nitrit werden zum Ammoniumzustand reduziert, der dann in Aminosäuren, Proteine ​​und andere organische Substanzen eingebaut wird.

Es ist die Umwandlung von inertem Luftstickstoff oder Distickstoff (N2) in verwertbare Stickstoffverbindungen wie Nitrat, Ammoniak, Aminosäuren usw. Es gibt zwei Methoden der Stickstofffixierung – biologisch und biologisch. Die biologische Stickstofffixierung ist ferner von zweierlei Art, natürlich und industriell.

Natürliche abiologische Stickstofffixierung:

Atmosphärischer Stickstoff verbindet sich mit Sauerstoff in Gegenwart von elektrischen Entladungen, Ozonisierung und Verbrennung. Es werden verschiedene Arten von Stickoxiden produziert. Die Stickoxide lösen sich in Wasser auf und führen zu hyponitroser, salpetriger und Salpetersäure. Sie dringen zusammen mit Regenwasser in den Boden ein und bilden Hyponitrite, Nitrite und Nitrate.

Industrielle abiologische Stickstofffixierung:

Ammoniak wird industriell durch direkte Kombination von Stickstoff mit Wasserstoff (aus Wasser gewonnen) bei hoher Temperatur und hohem Druck hergestellt. Es wird auf verschiedene Arten von Düngemitteln einschließlich Harnstoff umgestellt.

Biologische Stickstofffixierung:

Es ist der zweitwichtigste natürliche Prozess und die wichtigste Quelle der Stickstofffixierung, die von zwei Arten von Prokaryoten, Bakterien und Cyanobakterien (= Blaualgen) durchgeführt wird.

Sie umfassen sowohl frei lebende als auch symbiotische Formen:

(a) Frei lebende stickstofffixierende Bakterien:

Azotobacter, Beijerinckia (beide aerob) und Bacillus, Klebsiella, Clostridium (alle anaerob) sind saprotrophe Bakterien, die eine Stickstofffixierung durchführen. Desulfovibrio ist ein chemotrophes stickstofffixierendes Bakterium. Rhodopseudomonas, Rhodospirillum und Chromatium sind stickstofffixierende anaerobe photoautotrophe Bakterien. Frei lebende stickstoffbindende Bakterien fügen 10-25 kg Stickstoff/ha/Jahr hinzu.

(b) Frei lebende stickstofffixierende Cyanobakterien:

Viele frei lebende Blaualgen (BGA) oder Cyanobakterien führen eine Stickstofffixierung durch, z. B. Anabaena, Nostoc, Calothrix, Lyngbia, Aulosira, Cylindrospermum, Trichodesmium. Sie fügen 20-30 kg Stickstoff pro Hektar Boden und Gewässer hinzu.

Cyanobakterien sind auch ökologisch wichtig, da sie in wasserreichen Böden vorkommen, wo denitrifizierende Bakterien aktiv sein können. Aulosira fertilissima ist der aktivste Stickstofffixierer in Reisfeldern, während Cylindrospermum in Zuckerrohr- und Maisfeldern aktiv ist.

(c) Symbiotische Stickstoff-fixierende Cyanobakterien:

Anabaena- und Nostoc-Arten sind häufige Symbionten in Flechten-, Anthoceros-, Azolla- und Cycad-Wurzeln. Azolla pinnata (ein Wasserfarn) hat Anabaena azollae in seinen Wedeln. Es wird oft auf Reisfeldern zur Stickstofffixierung geimpft.

(d) Symbiotische stickstofffixierende Bakterien:

Rhizobium ist ein stickstofffixierender bakterieller Sym­biont von Papilionaceenwurzeln. Sesbania rostrata hat Rhizobium in Wurzelknollen und Aerorhizobium in Stammknollen.

Frankia ist ein Symbiont in Wurzelknollen mehrerer Nicht-Leguminosen-Pflanzen wie Casuarina (Australische Kiefer), Myrica und Alnus (Erle). Xanthomonas und Mycobacterium bilden eine symbiotische Assoziation mit den Blättern mehrerer Mitglieder der Rubiaceae und Myrsinaceae (z. B. Ardisia).

Sowohl Rhizobium als auch Frankia leben frei als Aerobier im Boden, können aber keinen Stickstoff binden. Die Fähigkeit, Stickstoff zu fixieren, entwickeln sie erst als Symbionten, wenn sie anaerob werden. Rhizobium ist ein stäbchenförmiges Bakterium, während Frankia ein Actinomycet ist.

Von diesen ist Rhizo­bium das wichtigste für Ackerland, da es mit Hülsenfrüchten und anderen Hülsenfrüchten der Familie Fabaceae, z. Pisum sativum), Sojabohne (Glycine max), Linse (Lens culinaris), Grünes Gramm (Vigna radiata = Phaseolus aureus), Schwarzes Gramm (Vigna oder Phaseolus mungo), Steinklee, Süße Erbse, Luzerne, Saubohne, Kleebohne. Im Boden leben mehrere Arten des Bakteriums (z. B. Rhizobium leguminosarum, R. meliloti).

Sie sind nicht in der Lage, Stickstoff selbst zu fixieren. Die Wurzeln einer Hülsenfrucht sezernieren chemische Lockstoffe (Flavonoide und Betaine). Bakterien sammeln sich über den Wurzelhaaren, setzen Nod-Faktoren frei, die ein Einrollen der Wurzelhaare um die Bakterien, einen Abbau der Zellwand und die Bildung eines die Bakterien umschließenden Infektionsfadens bewirken (Abb. 12.11).

Der Infektionsfaden wächst zusammen mit der Vermehrung von Bakterien. Es verzweigt und seine Enden kommen gegenüber Protoxylempunkten des Gefäßstrangs zu liegen. Die infizierten kortikalen Zellen dedifferenzieren und beginnen sich zu teilen. Es produziert Schwellungen oder Knötchen.

Die Bildung von Knötchen wird durch Auxin stimuliert, das von kortikalen Zellen produziert wird, und Cytokinin, das von eindringenden Bakterien freigesetzt wird. Die infizierten Zellen vergrößern sich. Bakterien hören auf sich zu teilen und bilden unregelmäßige polyedrische Strukturen, die Bakterioden genannt werden (Abb. 12.12). Einige Bakterien behalten jedoch ihre normale Struktur, teilen sich und dringen in neue Bereiche ein. In einer infizierten Zelle treten Bakterioden in Gruppen auf, die von einer Wirtsmembran umgeben sind.

Die Wirtszelle entwickelt ein rosafarbenes Pigment namens Bein-Hämoglobin (Lb). Es ist ein Sauerstofffänger und ist mit dem Blutfarbstoff Hämoglobin verwandt. Es schützt das stickstofffixierende Enzym Nitrogenase vor Sauerstoff. Die symbiotische Stickstofffixierung erfordert die Zusammenarbeit der Nod-Gene der Hülsenfrucht, der Nod-, Nif- und Fix-Gencluster von Bakterien.

Mechanismus der Stickstofffixierung:

Stickstofffixierung erfordert (i) eine reduzierende Kraft wie NADPH, FMNH2 (ii) eine Energiequelle wie ATP, (iii) das Enzym Distickstoffase und (iv) Verbindungen zum Einfangen von Ammoniak, das durch die Reduktion von Distickstoff gebildet wird. Das Enzym Nitrogenase enthält Eisen und Molybdän. Beide sind an der Anlagerung eines Stickstoffmoleküls (N2).

Bindungen zwischen den beiden Stickstoffatomen werden durch ihre Bindung an die metallischen Komponenten geschwächt. Auf das geschwächte Stickstoffmolekül wirkt Wasserstoff (Abb. 12.13) eines reduzierten Coenzyms. Es produziert Dimid (N2h2), Hydrazin (N2h4) und dann Munition­nia (2NH3).

Ammoniak wird nicht freigesetzt. Es ist schon in kleinen Mengen giftig. Die Stickstofffixierer schützen sich davor, indem sie organische Säuren bereitstellen. Bei der Reaktion zwischen Ammoniak und organischen Säuren entstehen Aminosäuren.

n5 + 8e – 8H + +16ATP- di-nitrogenase → 2NH3 + 2H + + 16ADP + 16Pi

Ammoniak + α-Ketoglutarat + NAD(P)H- Dehydrogenase → Glutamat + NAD(P) + + H2Ö

Symbiotische stickstoffbindende Organismen geben einen Teil ihres fixierten Stickstoffs an den Wirt als Gegenleistung für Unterkunft und Nahrung ab. Frei lebende Stickstofffixierer reichern den Boden nicht sofort an. Erst nach ihrem Tod gelangt der fixierte Stickstoff in den Kreiselpool. Es erfolgt in zwei Schritten, Ammonifikation und Nitrifikation.

Es wird durch Fäulnis verursachende Organismen durchgeführt. Sie wirken auf stickstoffhaltige Ausscheidungen und Proteine ​​von toten Körpern lebender Organismen, z. B. Bacillus ramosus, B. vulgaris, B. mesentericus, Actinomyces. Proteine ​​werden zunächst in Aminosäuren zerlegt. Letztere sind desaminiert. Dabei freigesetzte organische Säuren werden von Mikroorganismen für den eigenen Stoffwechsel genutzt.

Ammoniak verbleibt im Boden nicht im gasförmigen Zustand, sondern wird in ionische Form (NH+) umgewandelt. Es kann von Pflanzen direkt verwendet werden, vorausgesetzt der pH-Wert des Bodens beträgt mehr als 6 und die Pflanze enthält reichlich organische Säuren. Im Gegensatz zu Nitraten können nur sehr wenige Pflanzen Ammoniumionen speichern (z. B. Begonia, Oxalis).

Es ist das Phänomen der Umwandlung von Ammoniumstickstoff in Nitratstickstoff. Es wird in zwei Schritten durchgeführt – Nitritbildung und Nitratbildung. Beide Schritte können von Aspergillus flavus durchgeführt werden. Im ersten Schritt werden Ammoniumionen zu Nitriten Nitrosococcus, Nitrosomonas oxidiert. Im zweiten Schritt werden Nitrite in Nitrate umgewandelt, z. B. Nitrocystis, Nitrobacter.

Die meisten nitrifizierenden Bakterien (z. B. Nitrosococcus, Nitrosomonas, Nitrobacter) sind chemoautotroph. Sie nutzen die bei der Nitrifikation freiwerdende Energie zur Synthese organischer Stoffe aus CO2 und einen Wasserstoffdonor. Sie sind also Autotrophe, die keine Sonnenenergie zur Nahrungssynthese verwenden.

Unter anaeroben Bedingungen (z. B. Staunässe, Sauerstoffmangel) verwenden einige Mikroorganismen Nitrat und andere oxidierte Ionen als Sauerstoffquelle. Dabei werden Nitrate zu gasförmigen Stickstoffverbindungen reduziert. Letztere entweichen aus dem Boden. Häufige Bakterien, die eine Denitrifikation von Böden verursachen, sind Pseudomonas denitrificans, Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans.

Auch Stickoxide, die in die Atmosphäre entweichen oder bei der abiologischen Fixierung entstehen, können durch Bestrahlungen zu molekularem Stickstoff abgebaut werden. Die Denitrifikation des Bodens entzieht dem Boden nicht nur einen wichtigen Nährstoff, sondern verursacht auch eine Versauerung, die bei der Solubilisierung von schädlichen Metallen gleichermaßen schädlich ist.

Nitratassimilation:

Nitrat ist die wichtigste Stickstoffquelle für die Pflanzen. Es kann sich im Zellsaft mehrerer Pflanzen anreichern und an der Bildung des osmotischen Potenzials beteiligt sein. Es kann jedoch nicht als solches von den Pflanzen verwendet werden. Es wird zunächst auf Ammoniak reduziert, bevor es in organische Verbindungen eingebaut wird. Die Reduktion von Nitrat erfolgt in zwei Schritten.

(i) Reduktion von Nitrat zu Nitrit:

Es wird durch ein induzierbares Enzym namens Nitratreduktase durchgeführt. Das Enzym ist ein Molybdoflavoprotein. Es benötigt ein re­duziertes Coenzym (NADH oder NADPH) für seine Aktivität. Das reduzierte Coenzym wird durch FAD oder FMN mit Nitrat in Kontakt gebracht.

(ii) Reduktion von Nitrit:

Es wird durch das Enzym Nitritreduktase durchgeführt. Das Enzym ist ein Metalloflavoprotein, das Kupfer und Eisen enthält. Es kommt in Chloroplasten in den Blattzellen und in Leukoplasten anderer Zellen vor. Im Gegensatz dazu findet sich Nitratreduktase lose an die Zellmembran gebunden. Nitritreduktase erfordert Reduktionsleistung.

Es ist NADPH in beleuchteten Zellen und NADH in anderen. Der Reduktionsprozess erfordert auch Ferredoxin, das in höheren Pflanzen hauptsächlich in grünem Gewebe vorkommt. Daher wird angenommen, dass in höheren Pflanzen entweder Nitrit in Blattzellen transloziert wird oder ein anderer Elektronendonor (wie FAD) in unbeleuchteten Zellen wirkt. Das Produkt der Nitritreduktion ist Ammoniak.

Ammoniak wird nicht freigesetzt. Es verbindet sich mit einigen organischen Säuren zu Aminosäuren. Aminosäuren bilden dann verschiedene Arten von stickstoffhaltigen Verbindungen.

Synthese von Amino:

Die ersten organischen Verbindungen der Stickstoffassimilation sind Ammosäuren.

Sie werden nach den folgenden drei Methoden synthetisiert:

1. Reduktive Aminierung:

In Gegenwart von Dehydrogenase (z. B. Glutamat-Dehydrogenase, Aspartat-Dehydrogenase), einem reduzierten Coenzym (NADH oder NADPH), kann sich Ammoniak direkt mit einer organischen Ketosäure wie a-Ketoglutarsäure und Oxalessigsäure verbinden, um eine Aminosäure zu bilden.

2. Katalytische Amidierung:

Ammoniak verbindet sich mit katalytischen Mengen an Glutaminsäure in Gegenwart von ATP und dem Enzym Glutaminsynthetase. Es produziert ein Amid namens Glutamin. Glutamin reagiert mit a-Ketoglutarsäure in Gegenwart des Enzyms Glutamatsynthetase zu zwei Glutamatmolekülen. Reduziertes Coenzym (NADH oder NADPH) ist erforderlich.

Es ist die Übertragung der Aminogruppe (> CH NH2) einer Aminosäure mit der Ketogruppe (> С = О) der Ketosäure. Das erforderliche Enzym ist Transaminase oder Aminotranshyferase. Glutaminsäure ist die primäre Aminosäure, die an der Übertragung der Aminogruppe beteiligt ist (auf bis zu 17 Aminosäuren).

Sie sind Aminosäurederivate, bei denen die – OH-Komponente der Carboxylgruppe (- COOH) durch eine andere Aminogruppe (- NH2). Amide sind daher doppelt aminierte Ketosäuren. Die beiden häufigsten Amide sind Glutamin und Asparagin.

Sie entstehen durch Amidierung von Glutaminsäure bzw. Asparaginsäure. Ein weiteres häufiges Amid ist Vitamin Niacinamid (Niacin a). Glutamin und Asparagin sind neben Aminosäuren Bestandteile von Proteinen.

Ihre Bildung erfordert ATP, Ammoniak und das Enzym Synthetase (Glutaminsynthetase, Asparaginsynthetase). Amide erfüllen zwei weitere Funktionen – die Speicherung von überschüssigem Stickstoff und den Transport.


Das Gezeitenpool-Szenario für einen Ursprung von Polymeren und replizierenden Chemien

In diesem Szenario würden sich präbiotische organische Monomere in der Hitze eines Urtages in Gezeitenbecken konzentrieren, gefolgt von einer Polymerisation durch Dehydratationssynthese. Die Bildung von Polymerbindungen ist eine „bergauf“ Reaktion, die freie Energie erfordert. Sehr hohe Temperaturen (die Hitze beim Backen) können Monomere durch Dehydratisierungssynthese im Labor verknüpfen und haben dies möglicherweise in Sedimenten von Gezeitenbecken zu statistischen Polymeren getan. Dieses Szenario geht weiter davon aus, dass die Ausbreitung dieser Polymere aus den Gezeitenbecken mit Ebbe und Flut von Fluten. Das Gezeitenpool-Szenario ist unten dargestellt (Abbildung 2).

Figur 2: Gezeitenpool-Szenario

Die Konzentration vermeintlicher organischer Monomere am Boden der Gezeitentümpel könnte Möglichkeiten geboten haben, die Polymerisation sogar ohne sehr hohe Hitze zu katalysieren. Viele Metalle (Nickel, Platin, Silber, sogar Wasserstoff) sind anorganische Katalysatoren, die viele chemische Reaktionen beschleunigen können. Die schwereren Metalle dürften sowohl in der Erdkruste als auch in den Sedimenten der Urmeere vorkommen, wie sie es heute tun. Es wurde gezeigt, dass solche Mineralaggregate in Böden und Tonen katalytische Eigenschaften besitzen. Darüber hinaus sind Metalle (z. B. Magnesium, Mangan…) heute ein integraler Bestandteil vieler Enzyme, was mit einem Ursprung biologischer Katalysatoren in einfacheren aggregierten Mineralkatalysatoren in Meeressedimenten übereinstimmt.

Vor dem Leben könnten die Mikrooberflächen von mineralangereicherten Sedimenten, wenn sie ungestört wären, in der Lage gewesen sein, dieselben oder zumindest ähnliche Reaktionen wiederholt zu katalysieren, was zu verwandten Polymergruppen führte. Betrachten Sie die Möglichkeiten für RNA-Monomere und -Polymere, basierend auf der Annahme, dass das Leben in einer RNA-Welt begann. Die Möglichkeiten sind unten in Abbildung 3 dargestellt.

Figur 3: Replizieren von Polymeren in einem Gezeitenbecken

Das hier vorhergesagte Ergebnis ist die Bildung nicht nur von RNA-Polymeren (vielleicht zunächst nur kurzer), sondern auch von H-verbrückten doppelsträngigen RNA-Molekülen, die sich bei jedem Konzentrations-, Polymerisations- und Dispergierzyklus effektiv replizieren können. Wärme und die bei diesen Reaktionen freigesetzte freie Energie könnten die Polymerisation unterstützt haben, während die Katalyse die Genauigkeit der RNA-Replikation verbessert hätte.

Im Gezeitenbecken-Szenario können natürlich auch wiederholte starke Hitze oder andere physikalische oder chemische Angriffe neu gebildete Polymere abbauen. Aber was wäre, wenn einige RNA-Doppelstränge widerstandsfähiger gegen Zerstörung wären. Solche frühen RNA-Duplexe würden sich auf Kosten der schwächeren, anfälligeren ansammeln. Nur der am fittesten replizierte Moleküle würden selektiert und in der Umwelt persistieren! Die Umweltakkumulation von strukturell verwandten, replizierbaren und stabilen Polymeren spiegelt eine präbiotische Chemikalie wider Homöostase (eine dieser Eigenschaften des Lebens!)

Insgesamt hängt dieses Szenario gut zusammen, und das seit vielen Jahrzehnten. Es gibt jedoch jetzt herausfordernde Fragen bezüglich der Prämisse einer präbiotischen reduzierenden Umgebung. Neuere Beweise deuten auf eine Erdatmosphäre hin, die sich überhaupt nicht reduzierte, was Zweifel an der Idee aufkommen ließ, dass die ersten Zellen auf dem Planeten heterotroph waren. Jüngste Vorschläge postulieren alternative Quellen für präbiotische freie Energie und organische Moleküle, die ganz anders aussehen als die von Oparin, Haldane, Urey und Miller angenommenen.


Ursprung des Lebens: Moderne Theorie des Ursprungs des Lebens

Nach dieser Theorie entstand das Leben auf der frühen Erde durch physikalisch-chemische Prozesse von Atomen, die sich zu Molekülen verbinden, die wiederum reagieren, um anorganische und organische Verbindungen herzustellen. Organische Verbindungen wechselwirkten, um alle Arten von Makromolekülen zu produzieren, die sich organisierten, um das erste lebende System oder Zellen zu bilden.

Bild mit freundlicher Genehmigung: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Blacksmoker_in_Atlantic_Ocean.jpg

So entstand nach dieser Theorie „Leben“ auf unserer Erde spontan aus unbelebter Materie. Zuerst wurden anorganische Verbindungen und dann organische Verbindungen entsprechend den sich ständig ändernden Umweltbedingungen gebildet. Dies wird als chemische Evolution bezeichnet, die unter den gegenwärtigen Umweltbedingungen auf der Erde nicht stattfinden kann. Bedingungen, die für die Entstehung des Lebens geeignet waren, gab es nur auf der primitiven Erde.

Die Oparin-Haldane-Theorie wird auch chemische Theorie oder naturalistische Theorie genannt. A. I. Oparin (1894-1980) war ein russischer Wissenschaftler. 1936 veröffentlichte er sein Buch „Der Ursprung des Lebens“ und 1938 eine englische Ausgabe. J.B.S. Haldane (1892-1964) wurde in England geboren, wanderte aber im Juli 1957 nach Indien aus und ließ sich in Bhubaneswar, Orissa, nieder. Er war Biologe, Biochemiker und Genetiker. Sowohl Oparin (1938) als auch Haldane (1929) gaben ähnliche Ansichten über den Ursprung des Lebens.

Moderne Ansichten über den Ursprung des Lebens umfassen die chemische Evolution und die biologische Evolution:

A. Chemische Evolution (Chemie):

1. Die Atomphase:

Die frühe Erde hatte unzählige Atome all jener Elemente (z. B. Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor usw.), die für die Bildung des Protoplasmas notwendig sind. Atome wurden nach ihrem Gewicht in drei konzentrische Massen unterteilt, (a) Die schwersten Atome von Eisen, Nickel, Kupfer usw. wurden im Zentrum der Erde gefunden, (b) mittelschwere Atome von Natrium, Kalium, Silizium, Magnesium , Aluminium, Phosphor, Chlor, Fluor, Schwefel usw. wurden im Erdkern gesammelt, (c) Die leichtesten Atome von Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff usw. bildeten die primitive Atmosphäre.

2. Bildung anorganischer Moleküle:

Freie Atome kombiniert zu anorganischen Molekülen wie H2 (Wasserstoff), N2 (Stickstoff), H20 (Wasserdampf), CH4 (Methan), NH3 (Ammoniak), C02 (Kohlendioxid). Wasserstoffatome waren in der primitiven Atmosphäre am zahlreichsten und am reaktionsfähigsten.

Zuerst verbinden sich Wasserstoffatome mit allen Sauerstoffatomen zu Wasser und hinterlassen keinen freien Sauerstoff. Somit war die primitive Atmosphäre eine reduzierende Atmosphäre (ohne freien Sauerstoff) im Gegensatz zur gegenwärtigen oxidierenden Atmosphäre (mit freiem Sauerstoff).

Wasserstoffatome auch mit Stickstoff kombiniert, bilden Ammoniak (NH3). Wasser und Ammoniak waren also wahrscheinlich die ersten Moleküle der Urerde.

3. Bildung einfacher organischer Moleküle (Monomere):

Die frühen anorganischen Moleküle interagierten und produzierten einfache organische Moleküle wie einfache Zucker (z. B. Ribose, Desoxyribose, Glucose usw.), stickstoffhaltige Basen (z. B. Purine, Pyrimidine), Aminosäuren, Glycerin, Fettsäuren usw.

Es müssen sintflutartige Regenfälle gefallen sein. Als das Wasser nach unten stürzte, muss es sich aufgelöst und Salze und Mineralien mitgenommen haben und sich schließlich in Form von Ozeanen angesammelt haben. So enthielt das alte Ozeanwasser große Mengen an gelöstem NH3, CH4, HCN, Nitride, Karbide, verschiedene Gase und Elemente.

CH4 + C02 + H20 —> Zucker + Glycerin + Fettsäuren

CH4 + HCN + NH3 + H20 —> Purine + Pyrimidine

Einige externe Quellen müssen auf die Mischung für Reaktionen eingewirkt haben. Diese externen Quellen können (i) Sonnenstrahlung wie ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlen usw. sein, (ii) Energie aus elektrischen Entladungen wie Blitzen, (iii) hochenergetische Strahlungen sind andere Energiequellen (wahrscheinlich instabile Isotope auf die Urerde). Es gab keine Ozonschicht in der Atmosphäre.

Eine suppenartige Brühe von Chemikalien, die in Ozeanen der frühen Erde gebildet wurde und aus der vermutlich lebende Zellen entstanden sind, wurde von J.B. Haldane (1920) als „präbiotische Suppe“ (auch „heiße verdünnte Suppe“ genannt) bezeichnet. Damit waren die Voraussetzungen für die Kombination verschiedener chemischer Elemente geschaffen. Einmal gebildet, reicherten sich die organischen Moleküle in Wasser an, da ihr Abbau in Abwesenheit von Leben oder Enzymkatalysatoren extrem langsam war.

Experimentelle Beweise für die abiogene molekulare Evolution des Lebens:

Stanley Miller im Jahr 1953, damals Doktorand von Harold Urey (1893-1981) an der University of Chicago, zeigte deutlich, dass ultraviolette Strahlung oder elektrische Entladungen oder Wärme oder eine Kombination davon komplexe organische Verbindungen aus a Mischung aus Methan, Ammoniak, Wasser (Wasserstrom) und Wasserstoff. Das Verhältnis von Methan, Ammoniak und Wasserstoff betrug in Millers Experiment 2:1:2.

Miller ließ vier Gase – Methan, Ammoniak, Wasserstoff und Wasserdampf – in einer luftdichten Apparatur zirkulieren und leitete elektrische Entladungen von Elektroden bei 800 °C durch. Er leitete die Mischung durch einen Kühler.

Er ließ die Gase auf diese Weise eine Woche lang kontinuierlich zirkulieren und analysierte dann die chemische Zusammensetzung der Flüssigkeit im Inneren der Apparatur. Er fand eine große Anzahl einfacher organischer Verbindungen, darunter einige Aminosäuren wie Alanin, Glycin und Asparaginsäure. Miller führte das Experiment durch, um die Idee zu testen, dass organische Moleküle in einer reduzierenden Umgebung synthetisiert werden könnten.

Auch andere Stoffe wie Harnstoff, Blausäure, Milchsäure und Essigsäure waren vorhanden. In einem anderen Experiment ließ Miller das Gasgemisch auf die gleiche Weise zirkulieren, aber er ließ die elektrische Entladung nicht durch. Er konnte die signifikante Ausbeute der organischen Verbindungen nicht erzielen.

Später haben viele Forscher eine große Vielfalt organischer Verbindungen synthetisiert, darunter Purine, Pyrimidine und einfache Zucker usw. Es wird angenommen, dass sich so die wesentlichen „Bausteine“ wie Nukleotide, Aminosäuren usw. von lebenden Organismen gebildet haben könnten auf der primitiven Erde.

4. Bildung komplexer organischer Moleküle (Makromoleküle):

Eine Vielzahl von Aminosäuren, Fettsäuren, Kohlenwasserstoffen, Purinen und Pyrimidinbasen, Einfachzuckern und anderen organischen Verbindungen haben sich in den alten Meeren angesammelt. In der Uratmosphäre könnten elektrische Entladungen, Blitze, Sonnenenergie, ATP und Polyphosphate die Energiequelle für Polymerisationsreaktionen der organischen Synthese gewesen sein.

NS. Fox von der University of Miami hat gezeigt, dass beim Erhitzen einer fast trockenen Mischung von Aminosäuren Polypeptidmoleküle synthetisiert werden. In ähnlicher Weise könnten einfache Zucker Polysaccharide bilden und Fettsäuren könnten sich zu Fetten verbinden. Aminosäuren könnten Proteine ​​bilden, wenn andere Faktoren beteiligt waren.

So verbinden sich die kleinen einfachen organischen Moleküle zu großen komplexen organischen Molekülen, z. B. Aminosäureeinheiten zu Polypeptiden und Proteinen, einfache Zuckereinheiten zu Polysacchariden, Fettsäuren und Glycerin zu Fetten, Zuckern, Stickstoffbasen und Phosphaten zu Nukleotiden kombiniert, die in den alten Ozeanen zu Nukleinsäuren polymerisierten.

Stickstoffbasen + Pentosezucker + Phosphate ———> Nukleotide

Nukleotide + Nukleotide ———–> Nukleinsäuren

Welches kam zuerst RNA oder Protein?

Die erste RNA-Hypothese:

In the early 1980s three scientists (Leslia orgel, Francis Crick and Carl Woese) independently proposed the RNA World as the first stage in the evolution of life in which RNA catalysed all molecules necessary for survival and replication. Thomas Ceck and Sidney Altman shared Nobel Prize in chemistry in 1989 because they discovered that RNA can be both a substrate and an enzyme.

If the first cells used RNA as their hereditary molecule, DNA evolved from an RNA template. DNA probably did not evolve as a hereditary molecule un tills RNA based life became enclosed in membrane. Once cells evolved DNA probably replaced RNA as the genetic code for most organisms.

The Protein First Hypothesis:

A number of authors (for example Sidney Fox, 1978) claimed that a protein catalytic system must have developed before a nucleic acid replicative system. Sidney Fox had shown that amino acids polymerized abiotically when exposed to dry heat to form proteinoids.

Cairns-Smith’s Hypothesis:

It was proposed by Graham Caims-Smith, according to which both proteins and RNA originated at the same time.

Formation of Nucleoproteins:

The giant nucleoprotein molecules were formed by the union of nucleic acid and protein molecules. These nucleoprotein particles were described as free living genes. Nucleoproteins gave most probably the first sign of life.

B. Biological Evolution (Biogeny):

Conditions for the Origin of Life:

For origin of life, at least three conditions are needed.

(a) There must have been a supply of replicators, i.e., self-producing molecules.

(b) Copying of these replicators must have been subject to error through mutation.

(c) The system of replicators must have required a continuous supply of free energy and partial isolation from the general environment.

The high temperature in early earth would have fulfilled the requirement of mutation.

1. Protobionts or Protocells:

These are at least two types of fairly simple laboratory produced structures— Oparin’s coacervates and Fox’s microspheres which possess some of the basic prerequisites of proto cells.

Although these structures were created artificially, they point to the likelihood that non-biological membrane enclosures (proto cells) could have sustained reactive systems for at least short periods of time and led to research on the experimental production of membrane bound vesicles containing molecules, i.e., proto cells.

The first hypothesis was proposed by Oparin (1920). According to this hypothesis early proto cell could have been a coacervate. Oparin gave the term coacer­vates. These were non-living structures that led to the formation of the first living cells from which the more complex cells have today evolved.

Oparin speculated that a proto cell consisted a carbohydrates, proteins, lipids and nucleic acids that accumulated to form a coacervate. Such a structure could have consisted of a collection of organic macromolecules surrounded by a film of water molecules.

This arrangement of water molecules, although not a membrane, could have functioned as a physical barrier between the organic molecules and their surroundings. They could selectively take in materials from their sur­roundings and incorporate them into their structure.

Coacervates have been synthesized in the laboratory. They can selectively absorb chemicals from the surrounding water and incorpo­rate them into their structure. Some coacervates contain enzymes that direct a specific type of chemical reaction.

Because they lack a definite membrane, no one claims coacervates are alive, but they do exhibit some life like characters. They have a simple but persistent orga­nization. They can remain in solution for extended periods. They have the ability to increase in size.

An another hypothesis is that early proto cell could have been a microsphere. A microsphere is a non-living collection of organic macromolecules with double layered outer boundary. The term microsphere was given by Sydney Fox (1958-1964).

Sidney Fox demonstrated the ability to build microspheres from proteinoids. Proteinoids are protein like structures consisting of branched chains of amino acids. Proteinoids are formed by the dehydration synthesis of amino acids at a temperature of 180°C. Fox, from the University of Miami, showed that it is feasible to combine single amino acids into polymers of proteinoids. He also demonstrated the ability to build microspheres from these proteinoids.

Fox observed small spherical cell-like units that had arisen from aggregations of proteinoids. These molecular aggregates were called proteinoid microspheres. The first non-cellular forms of life could have originated 3 billion years back. They would have been giant molecules (RNA, Proteins, Polysaccharides etc.).

Microspheres can be formed when proteinoids are placed in boiling water and slowly allowed to cool. Some of the proteinoid material produces a double-boundary structure that encloses the microsphere. Although these walls do not contain lipids, they do exhibit some membrane like characteristics and suggest the structure of a cellular membrane.

Microspheres swell or shrink depending on the osmotic potential in the surrounding solution. They also display a type of internal movement (streaming) similar to that exhibited by cells and contain some proteinoids that function as enzymes. Using ATP as a source of energy, microspheres can direct the formation of polypeptides and nucleic acids. They can absorb material from the surrounding medium.

They have the ability of motility, growth, binary fission into two particles and a capacity of reproduction by budding and fragmentation. Superficially, their budding resembles with those of bacteria and fungi.

According to some investigators, microspheres can be considered first living cells.

2. Origin of Prokaryotes:

Prokaryotes were originated from proto cells about 3.5 billion years ago in the sea. The atmosphere was anaerobic because free oxygen was absent in the atmosphere. Prokaryotes do not have nuclear membrane, cytoskeleton or complex organelles. They divide by binary fission. Some of the oldest known fossil cells appear as parts of stromatolites. Stromatolites are formed today from sediments and photosynthetic prokaryotes (mainly filamentous cynobacteria— blue green algae).

3. Evolution of Modes of Nutrition:

The earliest prokaryotes presumably obtained energy by the fermen­tation of organic molecules from the sea broth in oxygen free atmosphere (reducing atmosphere). They required readymade organic material as food and thus they were heterotrophs.

Due to rapid increase in the number of heterotrophs the nutrient from sea water began to disappear and gradually exhausted. That led to the evolution of autotrophs. These organisms were capable of producing their own organic molecules by chemosynthesis or photosynthesis.

Drop in temperature stopped synthesis of organic molecules in the sea water. Some of the early prokaryotes got converted into chemoautotrophs which prepared organic food by using energy released during certain inorganic chemical reactions. These anaerobic chemoautotrophs were like present anaerobic bacteria. They released CO2 in der Atmosphäre.

Evolution of chlorophyll molecule enabled certain protocells to utilize light energy and synthesize carbohydrates. These were anaerobic photoautotrophs. They did not use water as a hydrogen source. They were similar to present day sulphur bacteria in which hydrogen sulphide split into hydrogen and sulphur. Hydrogen was used in food manufacture and sulphur was released as a waste product.

Aerobic photoautotrophs used water as a source of hydrogen and carbon dioxide as source of carbon to synthesize carbohydrate in the presence of solar energy. The first aerobic photoautotrophs were cyanobacteria (blue green algae) like forms which had chlo­rophyll. They released oxygen in the atmosphere as the by product of photosynthesis. The main source of genetic variation was mutation.

As the number of photoautotrophs increased, oxygen was released in the sea and atmosphere. Free oxygen than reacted with methane and ammonia present in the primitive atmosphere and transformed methane and ammonia into carbon dioxide and free nitrogen.

The oldest fossil belonging to blue green algae, named Archaeospheroides barbertonensis which is 3.2 billion years old. Oxygen releasing prokaryotes first appeared at least 2.5 billion years ago.

4. Formation of Ozone Layer:

As oxygen accumulated in the atmosphere, the ultra­violet light changed some of oxygen into ozone.

The ozone formed a layer in the atmosphere, blocking the ultraviolet light and leaving the visible light as the main source of energy.

5. Origin of Eukaryotes:

The eukaryotes developed from primitive prokaryotic cells about 1.5 billion years ago. There are two views regarding the origin of eukaryotes.

According to Margulis (1970-1981) of Boston Uni­versity, some anaerobic predator host cells engulfed primitive aerobic bacte­ria but did not digest them. These aerobic bacteria established themselves inside the host cells as symbionts. Such preda­tor host cells became the first eukaryotic cells.

The predator host cells that engulfed aerobic bacteria evolved into animal cells while those that captured both aerobic bacteria and blue-green algae became eukaryotic plant cells. The aerobic bacteria established them­selves as mitochondria and blue green algae as chloroplasts.

(ii) Origin by Invagination:

Ac­cording to this view cell organelles of eukaryotic cells might have originated by invagination of surface membrane of primitive prokaryotic cells.


Although there is still no definitive answer, there is evidence that points to a likely scenario. Here are some of the most popular hypotheses for the origin of life on Earth.

Chemical evolution, or abiogenesis

In evolutionary biology, the term “chemical evolution” is used to refer to the hypothesis that says the building blocks of life, that is, Aminosäuren, were formed through the combination of inorganic molecules.

Auch genannt abiogenesis, this is a well-known hypothesis for the origin of life on Earth.

Earth’s primitive atmosphere was quite hostile compared to today’s atmosphere. It was mostly composed of methane, hydrogen, water vapor, and ammonia.

In addition to containing almost no oxygen, the ozone layer that today protects us from deadly radiation from the Sun also did not exist. Consequently, ultraviolet rays were constantly hitting the Earth.

Taking into account that new atoms are only created in the core of stars or during supernovae explosions, all the atoms that exist on Earth today have been recycled for billions of years.

This leads us to two conclusions: either the elements that later gave rise to life were already on Earth when it was formed, or they came from outside, through meteors.

Within the hypothesis that inorganic elements were already on Earth, there are several other hypotheses about where on the planet the chemical evolution could have started.

The primordial soup

The idea that the mixture of gases present in the primitive atmosphere could create amino acids was proposed by scientists Oparin and Haldane in 1924.

They hypothesized that organic molecules could be created from inorganic molecules found on the ocean floor. However, they were unable to prove it.

In 1953, scientists Miller and Urey carried out an experiment that became known as “primordial soup”.

The experiment showed how amino acids could be created using only a few inorganic ingredients, in a controlled environment that mimicked conditions found on the primitive Earth.

Initially, the experiment was a success, yielding several other hypotheses about the composition of life. However, years later it was discovered that some of the elements of the primordial soup were not present in the primitive atmosphere.

Still, the theory was important in showing that organic molecules could be formed from inorganic elements with relative ease.

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Hydrothermale Quellen

Considering that the necessary inorganic elements were already on Earth, most theories agree that the transformation of inorganic molecules into organic ones started in the oceans.

The surface of the primitive Earth was also mostly covered by oceans, and the bottom of these oceans was protected from ultraviolet radiation. In addition, on the ocean floor, there are structures known as hydrothermal vents.

According to this hypothesis, these vents could have expelled hydrogen-rich molecules, which ended up accumulating in rocky corners, providing mineral catalysts for the reactions.

Even today, these extremely hot underwater areas are full of primitive life forms.

Life may have started because of lightning

In the Miller-Urey experiment, electrical sparks were used to generate amino acids from inorganic molecules, suggesting that lightning might have helped start life on Earth.

Volcanic clouds in the primitive atmosphere could contain methane, hydrogen, and ammonia. And being stimulated by lightning, these elements could have given rise to the first organic molecules.

A beginning under the ice

Another hypothesis suggests that life may have started under the ice. 3 billion years ago, the Sun was a third less bright than today, so the oceans were covered by ice.

This thick layer of ice could have protected the first organic compounds from ultraviolet radiation and meteor impacts.

The low temperature could also have helped the molecules to survive longer, giving enough time for important reactions to take place.

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Panspermia: life from space

The panspermia hypothesis holds that primitive cells and amino acids arrived on Earth through meteors.

Unlike other hypotheses that try to explain how the building blocks of life originated from inorganic molecules, proponents of the panspermia hypothesis argue that life may have formed in space, and only then reached Earth.

This hypothesis would explain not only how life came about, but also how it spread across the globe.

One of the great advocates of this hypothesis was Stephen Hawking, one of the reasons behind his interest in space exploration.

Meteors that fall to Earth are always analyzed. Und amino acids are commonly found in them, which reinforces this hypothesis, since these same compounds could have fallen into the primitive oceans, producing simple proteins and essential enzymes for the first prokaryotic cells on Earth.

Which of these hypotheses do you think is correct? Leave your thoughts in the comments below.


Process that might have led to first organic molecules

New research led by the American Museum of Natural History and funded by NASA identifies a process that might have been key in producing the first organic molecules on Earth about 4 billion years ago, before the origin of life. The process, which is similar to what might have occurred in some ancient underwater hydrothermal vents, may also have relevance to the search for life elsewhere in the universe. Details of the study are published this week in the journal Proceedings of the National Academy of Sciences.

All life on Earth is built of organic molecules -- compounds made of carbon atoms bound to atoms of other elements such as hydrogen, nitrogen and oxygen. In modern life, most of these organic molecules originate from the reduction of carbon dioxide (CO2) through several "carbon-fixation" pathways (such as photosynthesis in plants). But most of these pathways either require energy from the cell in order to work, or were thought to have evolved relatively late. So how did the first organic molecules arise, before the origin of life?

To tackle this question, Museum Gerstner Scholar Victor Sojo and Reuben Hudson from the College of the Atlantic in Maine devised a novel setup based on microfluidic reactors, tiny self-contained laboratories that allow scientists to study the behavior of fluids -- and in this case, gases as well -- on the microscale. Previous versions of the reactor attempted to mix bubbles of hydrogen gas and CO2 in liquid but no reduction occurred, possibly because the highly volatile hydrogen gas escaped before it had a chance to react. The solution came in discussions between Sojo and Hudson, who shared a lab bench at the RIKEN Center for Sustainable Resource Science in Saitama, Japan. The final reactor was built in Hudson's laboratory in Maine.

"Instead of bubbling the gases within the fluids before the reaction, the main innovation of the new reactor is that the fluids are driven by the gases themselves, so there is very little chance for them to escape," Hudson said.

The researchers used their design to combine hydrogen with CO2 to produce an organic molecule called formic acid (HCOOH). This synthetic process resembles the only known CO2-fixation pathway that does not require a supply of energy overall, called the Wood-Ljungdahl acetyl-CoA pathway. In turn, this process resembles reactions that might have taken place in ancient oceanic hydrothermal vents.

"The consequences extend far beyond our own biosphere," Sojo said. "Similar hydrothermal systems might exist today elsewhere in the solar system, most noticeably in Enceladus and Europa -- moons of Saturn and Jupiter, respectively -- and so predictably in other water-rocky worlds throughout the universe."

"Understanding how carbon dioxide can be reduced under mild geological conditions is important for evaluating the possibility of an origin of life on other worlds, which feeds into understanding how common or rare life may be in the universe," added Laurie Barge from NASA's Jet Propulsion Laboratory, an author on the study.

The researchers turned CO2 into organic molecules using relatively mild conditions, which means the findings may also have relevance for environmental chemistry. In the face of the ongoing climate crisis, there is an ongoing search for new methods of CO2 die Ermäßigung.

"The results of this paper touch on multiple themes: from understanding the origins of metabolism, to the geochemistry that underpins the hydrogen and carbon cycles on Earth, and also to green chemistry applications, where the bio-geo-inspired work can help promote chemical reactions under mild conditions," added Shawn E. McGlynn, also an author of the study, based at the Tokyo Institute of Technology.


Fuel for earliest life forms: Organic molecules found in 3.5 billion-year-old rocks

3.5 billion-year-old barite (bottom) with fossilized microbial mat (top). This barite is part of the Dresser Formation in NW Australia. Credit: Helge Missbach

A research team including the geobiologist Dr. Helge Missbach from the University of Cologne has detected organic molecules and gases trapped in 3.5-billion-year-old rocks. A widely accepted hypothesis says that the earliest life forms used small organic molecules as building materials and energy sources. However, the existence of such components in early habitats on Earth was as yet unproven. The current study, published in the journal Naturkommunikation, shows that solutions from archaic hydrothermal vents contained essential components that formed a basis for the earliest life on our planet.

Specifically, the scientists examined about 3.5-billion-year-old barites from the Dresser Formation in Western Australia. The barite thus dates from a time when early life developed on Earth. "In the field, the barites are directly associated with fossilized microbial mats, and they smell like rotten eggs when freshly scratched. Thus, we suspected that they contained organic material that might have served as nutrients for early microbial life," said Dr. Helge Missbach of the Institute of Geology and Mineralogy and lead author of the study.

In the fluid inclusions, the team identified organic compounds such as acetic acid and methanethiol, in addition to gases such as carbon dioxide and hydrogen sulfide. These compounds may have been important substrates for metabolic processes of early microbial life. Furthermore, they are discussed as putative key agents in the origin of life on Earth. "The immediate connection between primordial molecules emerging from the subsurface and the microbial organisms—3.5 billion years ago—somehow surprised us. This finding contributes decisively to our understanding of the still unclear earliest evolutionary history of life on Earth," Missbach concluded.


STEPS INVOLVED IN WRITING IUPAC NAME

1) The first step in giving IUPAC name to an organic compound is to select the parent chain and assign a word root.

2) Next, the appropriate primary suffix(es) must be added to the root word to indicate the saturation or unsaturation.

3) If the molecule contains functional group or groups, a secondary suffix must be added to indicate the main functional group. This is optional and not necessary if the molecule contains Nein functional group.

4) Prefix the root word with the infix "cyclo" if the parent chain is cyclic or with the infix "spiro" if it is a spiro compound or with the infix "bicyclo" if the compound is bicyclic.

5) Finally add prefix(es) to the IUPAC name, if there are side chains or substituents on the parent chain.

Z.B. The IUPAC name of the following compound (3-methylbutan-2-ol) is arrived in steps mentioned below.

Step-1 How many carbons are there in the parent chain? 4 Root word = "but"
Step-2 Saturated or Unsaturated? Saturated 1 o suffix = "ane"
Step-3 Is there any functional group? Jawohl. There is an alcohol group on 2nd carbon. 2 o suffix = "2-ol"
Step-4 Are there any side chains or substituents? Jawohl. There is a methyl group on 3rd carbon. 2 o prefix = "3-methyl"

Now add them to makeup the IUPAC name of the compound.

You will learn how to select a parent chain? how to number the carbon atoms and give the locants to the functional groups, side chains ? etc., in the following section.

RULES OF IUPAC NOMENCLATURE

The following IUPAC nomenclature rules are helpful in assigning the systematic IUPAC name of an organic compound.

1) The selection of parent chain:

The first step in naming an organic compound is to select the parent chain and give the root word based on the number of carbon atoms in it.

The parent chain in an organic molecule is the longest continuous carbon chain containing as many functional groups, double bonds, triple bonds, side chains and substituents as possible.

i) In the following molecule, the longest chain has 6 carbons. Hence the word root is "hex-". Note that the parent chain may not be straight.

ii) The root word for the following molecule is "hept-" since the longest chain contains 7 carbons.

Nicht come under the impression that the ethyl groups (-C2h5) are side chains and the longest chain contains 5 carbons.

The shaded part shows the longest chain that contains 7 carbons. Also look at the alternate way of writing this molecule in which the ethyl groups are expanded to -CH2CH3.

iii) In the following molecule, there are three chains of equal length (7 carbons).

However, the chain with more number of substituents (that with 3 substituents as shown in the following diagram) is to be taken as the parent chain. Thus "hept" appears as word root in the IUPAC name of this compound.

NS) The double bonds and triple bonds have more priority than the alkyl side chains and some other substituents like halo, nitro, alkoxy etc. Hence, whenever there are two or more chains with equal number of carbons, the chain that contains double or triple bond is to be selected as the parent chain irrespective of other chain containing more number of substituents.

There are two chains with 6 carbons. But the chain with the a double bond as shown in the diagram (II) is to be selected as the parent chain.

Note: The double bond has more priority than the triple bond.

v) However, the longest chain must be selected as parent chain irrespective of whether it contains multiple bonds or not.

Z.B. In the following molecule, the longest chain (shaded) contains no double bond. It is to be selected as parent chain since it contains more carbons (7) than that containing double bond (only 6 carbons).

vi) The chain with main functional group must be selected as parent chain even though it contains less number of carbons than any other chain without the main functional group.

The functional group overrides all of above rules since it has more priority than the double bonds, triple bonds, side chains and other substituents.

Remember that the functional group is king.

Z.B. The chain (shaded) with 6 carbons that includes the -OH functional group is to be selected as parent chain irrespective of presence of another chain with 7 carbons that contains no functional group.

There are other situations which will decide the parent chain. These will be dealt at appropriate sections.

2) Numbering the parent chain:

i) The positions of double bonds or triple bonds or substituents or side chains or functional groups on the parent chain are to be indicated by appropriate numbers (or locants). The locants are assigned to them by numbering carbon atoms in the parent chain.

Even though two different series of locants are possible by numbering the carbon chain from either sides, the correct series is chosen by following the rule of first point of difference as stated below.

Note: In iupac nomenclature, the number which indicates the position of the substituent is called 'locant'.

The rule of first point of difference:

When series of locants containing the same number of terms are compared term by term, that series which contains the lowest number on the occasion of the first difference is preferred.

For example, in the following molecule, the numbering can be done from either side of the chain to get two sets of locants. However the 2,7,8 is chosen since it has lowest number i.e., 2 on the first occasion of difference when compared with the other set: 3,4,9.

Actually the so called “Least Sum Rule” is the special case of above “Rule of First point of Difference”. Though looking simple, the least sum rule is valid only to chains with two substituents, a special case. However use of Least sum rule is not advisable when there are more than two substituents since it may violate the actual rule of first point of difference.

Therefore, while deciding the positions, we should always use "the rule of first point of difference" only.

ii) If two or more side chains are at equivalent positions, the one to be assigned the lower number is that cited first in the name.

In case of simple radicals, the group to be cited first in the name is decided by the alphabetical order of the first letter in case of simple radicals. While choosing the alphabetical order, the prefixes like di, tri, tetra must not be taken into account.

In the following molecule, 4-ethyl-5-methyloctane, both methyl and ethyl groups are at equivalent positions. However the ethyl group comes first in the alphabetical order. Therefore it is to be written first in the name and to be given the lowest number.

Note: The groups: sec-butyl and tert-butyl are alphabetized under "b". However the Isobutyl and Isopropyl groups are alphabetized under "i" and not under "b" or "p".

iii) However, if two or more groups are nicht at equivalent positions, the group that comes first alphabetically may not get the least number.

Z.B. In the following molecule, 5-ethyl-2-methylheptane, the methyl and ethyl groups are not at equivalent positions. The methyl group is given the least number according to the rule of first point of difference.

But note that the ethyl group is written first in the name.

NS) The multiple bonds (double or triple bonds) have higher priority over alkyl or halo or nitro or alkoxy groups, and hence should be given lower numbers.

Z.B. In the following hydrocarbon, 6-methylhept-3-ene, the double bond is given the lower number and is indicated by the primary suffix 3-ene. The position of methyl group is indicated by locant, 6.

v) The double bond is preferred over the triple bond since it is to be cited first in the name.

Therefore the double bond is to be given the lower number whenever both double bond and triple bond are at equivalent positions on the parent chain.

Z.B. In the following hydrocarbon, hept-2-en-5-yne, both the double and triple bonds are at equivalent positions. But the position of double bond is shown by 2-ene. The counting of carbons is done from the left hand side of the molecule.

vi) However, if the double and triple bonds are not at equivalent positions, then the positions are decided by the rule of first point of difference.

Z.B. In the following hydrocarbon, hept-4-en-2-yne, the double and triple bonds are not at equivalent positions. The triple bond gets the lower number.

Again note that the 4-ene is written first.

vii) Nevertheless, the main functional group must be given the least number even though it violates the rule of first point of difference. It has more priority over multiple bonds also.

For example, in the following organic molecule, 6-methyloct-7-en-4-ol, the -OH group gets lower number (i.e., 4) by numbering the carbons from right to left.

3) Grammar to be followed in writing the IUPAC name:

ich) The IUPAC name must be written as one word. Es gibt jedoch Ausnahmen.

ii) The numbers are separated by commas.

iii) The numbers and letters are separated by hyphens.

NS) If there are two or more same type of simple substituents they should be prefixed by di, tri, tetra, penta etc.

Z.B. The number of methyl groups are indicated by di and tri in the following cases.

v) If the side chains themselves contain terms like di, tri, tetra etc., the multiplying prefixes like bis, tris, tetrakis etc., should be used.

Z.B. The two 1,2-dimethylpropyl groups are indicated by the prefix "bis" as shown below.

vi) If two or more side chains of different nature are present, they are cited in alphabetical order.

* In case of simple radicals, they are alphabetized based on the first letter in the name of simple radical without multiplying prefixes.

Z.B. In the following molecule, the ethyl group is written first since the letter 'e' precedes the letter 'm' of methyl in the alphabetical order. We should not compare 'e' in the word 'ethyl' and 'd' in the word 'dimethyl'

* However the name of a complex radical is considered to begin with the first letter of its complete name.

Z.B. In the following case, “dimethylbutyl” is considered as a complete single substituent and is alphabetized under "d".


The First Organic Molecules

All living things consist of organische Moleküle, centered around the element carbon. Therefore, it is likely that organic molecules evolved before cells, perhaps as long as 4 billion years ago. How did these building blocks of life first form?

Scientists think that lightning sparked chemical reactions in Earth’s early atmosphere. The early atmosphere contained gases such as ammonia, methane, water vapor, and carbon dioxide. Scientists hypothesize that this created a “soup” of organic molecules from inorganic chemicals. In 1953, scientists Stanley Miller and Harold Urey used their imaginations to test this hypothesis. They created a simulation experiment to see if organic molecules could arise in this way (see the figure below). They used a mixture of gases to represent Earth’s early atmosphere. Then, they passed sparks through the gases to represent lightning. Within a week, several simple organic molecules had formed.

Miller and Urey’s Experiment. Miller and Urey demonstrated that organic molecules could form under simulated conditions of early Earth. What assumptions were their simulation based upon?

Which Organic Molecule Came First?

Living things need organic molecules to store genetic information and to carry out the chemical work of cells. Modern organisms use DNA to store genetic information and proteins to catalyze chemical reactions. So, did DNA or proteins evolve first? This is like asking whether the chicken or the egg came first. DNA encodes proteins and proteins are needed to make DNA, so each type of organic molecule needs the other for its own existence. How could either of these two molecules have evolved before the other? Did some other organic molecule evolve first, instead of DNA or proteins?

RNA World Hypothesis

Some scientists speculate that RNA may have been the first organic molecule to evolve. In fact, they think that early life was based solely on RNA and that DNA and proteins evolved later. Das nennt man RNA world hypothesis. Why RNA? It can encode genetic instructions (like DNA), and some RNAs can carry out chemical reactions (like proteins). Therefore, it solves the chicken-and-egg problem of which of these two molecules came first. Other evidence also suggests that RNA may be the most ancient of the organic molecules.


Schau das Video: Entstand so das Leben? Die RNA-Welt. Mai Thi Nguyen-Kim (Dezember 2022).