Het protonengradient

De formulering van de hypothese van het protonengradient gaat terug naar de jaren zestig. Dit gradiënt bestaat in alle cellen en is een universeel kenmerk van het leven net als het DNA en verwanten er de universele informatiedragers van zijn. Hoe komt het dat dit kenmerk zo universeel is? Nick Lane schrijft er een mooi artikel over en laat zien dat dit alles te maken heeft met de plek waar het leven mogelijk is ontstaan.

Protonenkanaal, geassocieerd met ATPsynthetase. Klik op het plaatje om deze animatie te zien.

Een proton is het ion van waterstof en wordt weergegeven als H+. Omdat het elektron ontbreekt is de lading positief en het ion is simpelweg de kern van het waterstofatoom. Een gradiënt van deze protonen betekent een verschil in concentratie van protonen aan weerszijden van een semipermeabel membraan (of een poreuze wand zoals we later zullen zien).

Verschillende concentraties aan weerszijde van een semipermeabel membraan ‘zoeken’ altijd naar een evenwicht. Maar ionen zoals H+ kunnen dit membraan vanwege hun lading niet passeren. Dit heeft te maken met ladingen en hydrofobe en hydrofiele eigenschappen van respectievelijk het membraan en het ion. In de levende membranen zoals we die in cellen kennen bestaan er evenwel kanalen van eiwitten die de ionen laten passeren. Deze turbine wekt energie op die opgeslagen wordt in een molecuul van ATP (het universele ‘energie’-molecuul waarin de fosfaatverbindingen energie vasthouden). Op deze manier wordt het evenwicht wel snel opgeheven, maar door het voortdurend pompen van speciale protonenpompen wordt het evenwicht nooit bereikt. De pompen herstellen voortdurend het gradiënt. Het leven is geen perpetuum mobile dus de werking van deze pompen gaat ten koste van de verbranding van suikers, waarbij het zuurstof als elektronen acceptoor dient en waarbij water en kooldioxide (CO2) gevormd worden.

Dit alles speelt zich af in de mitochondriën, de kleine energie-fabriekjes in ieder van onze cellen. Efraim Racker was reeds in de jaren veertig in staat aan te tonen dat de afbraak in anaerobe condities van suiker te koppelen is aan de productie van ATP. Het gaat hier om pure chemie omdat de fosfaatgroepen direct van het suiker naar het ADP overgebracht worden om ATP te vormen. Het bleek een stoichiometrisch proces te zijn, d.w.z. de afbraak van een suiker leverde 1 of 2 ATP’s op. Tot zover was alles duidelijk. Men heeft daarna op dezelfde manier gekeken naar de aerobe condities waarbij suikers verbrand worden. Het bleek dat er hier geen sprake was van stoichiometrie: het bleek dat een glucose verschillende hoeveelheden ATP produceerden; tussen de 28 en 38 ATP’s en nooit een geheel getal ! Aerobische respiratie is dus niet stoichiometrisch en dus niet chemisch. Op basis van deze gegevens formuleerde Peter Mitchell de ‘proton motive force’ (1961). Men ontdekte pas later de structuur van de eiwit moleculen als die van de turbines en pompen die zich in het membraan bevinden die verantwoordelijk zijn voor deze proton aandrijfkracht.

De protongradienten drijven niet alleen energieproductie in mitochondriën aan (dus van alle dieren- en platencellen) maar ook in bacteriën en archaea. De protongradienten en de bijbehorende kanalen en pompen zijn ook van essentieel belang voor de homeostase van iedere cel. De vraag die Mitchell niet kon beantwoorden is waarom protonen deze universele rol hebben. Het antwoord ligt volgens Michael Russell in de alkalische hydrothermale diepzeebronnen die langs de Mid-Atlantische Rug liggen.

Een half ATP winst bij de reductie van een molecuul CO2

Hier konden zich door de semipermeabele wand van de ‘schoorsteen’ protongradienten vormen. Toen de aarde nog zonder leven was, waren de zeeën licht zuur (pH laag en H+ hoog) vanwege de hoge concentratie van CO2 in de atmosfeer. Het pH ligt in de bronnen wel vier punten hoger en bevat veel minder H+. Ook hier bestond dus een protonengradient met dezelfde polariteit en met ongeveer dezelfde ‘helling’ als die in onze cellen (200mV). Het eerste leven heeft een manier moeten vinden om dit gradiënt te exploiteren. Wat leven doet is CO2 reduceren. Om CO2 te laten reageren moet er een drempel overwonnen worden. Dat kost energie. Die energie is mogelijk uit de natuurlijke protongradienten van de bronnen voortgekomen. Als CO2 helemaal gereduceerd is tot CH4 (methaan) dan komt daar een 0,5 ATP netto uit voort. En dat is de energie die doet leven.

Uit: Why are cells powered by proton gradients ? by Nick Lane

Chemiosmose, de basis voor leven

Over het onstaan van het eerste leven op Aarde zijn vele theorieën gangbaar, zoals panspermie of buitenaardse intelligentie. Maar het onstaan van leven op Aarde vanuit de beschikbare inorganische materie wordt op haar beurt ook weer gekenmerkt door een grote variatie aan theorieën: ook al moeten de eerste levensvormen heel eenvoudig geweest zijn, ze moesten zich kunnen repliceren, en daarom DNA en/of RNA bevatten en moesten zich kunnen voeden. De theorieën lopen daarom weer uiteen over wat er eerst was, een RNA-wereld, een DNA-wereld of een wereld gebaseerd op metabolisme.

Een nieuwste theorie baseert zich daarentegen op een geochemische eigenschap van

Van internet: Alkaline bron in The Lost City

de oceaan. Ik schreef er een eerder blog over, maar dat was te oppervlakkig, al blijft het de moeite waard om het te lezen en de mooie films te bekijken.
Michael J. Russell kwam met de gegevens van alkalische bronnen (met een relatief hoog pH). Dit zijn niet de black smokers of hydrothermale diepzeebronnen die met geweld heet water spuwen nadat ze met lava in contact kwamen, maar zijn vrij rustige bubbelende bronnen van uit kleine poriën opgebouwde rotsen. De stromingen ontstaan wanneer water reageert met olivijn, dat vooral toen, in de nog dunne aardkorst, overvloedig aanwezig was. Dit proces produceert een nieuw mineraal, serpentine, en waterstof, alkalische vloeistoffen en warmte. Deze warme, waterstofrijke vloeistof breekt uieindelijk door de aardkorst naar buiten en vormt een alkalische hydrothermale bron.

Tot nu toe waren de gegevens gebaseerd op geologisch onderzoek zonder ooit een actieve bron gezien te hebben, maar in 2000 werd op de Mid-Atlantische rug met een onderzeeër een actieve bron gevonden bij wat nu The Lost City genoemd wordt, vanwege de spectaculaire spiraalvorm van de rotsen. Deze rotsen bevatten heel kleine poriën, de maat van een moderne (dier)cel. Deze bronnen kunnen heel goed van dezelfde soort zijn als de bronnen die zich 4 miljard jaar geleden op de oceaanbodem vormden. De oceanen waren toen bijzonder zuur door de hoge waarde aan CO₂. Er bestond ook nog geen moleculair zuurstof en er was veel ijzer opgelost in zee, dat met de komst van zuurstof zou neerslaan als roest. Ijzer-zwavel belletjes in de poriën hebben uitstekende catalytische eigenschappen en kunnen dus reacties sturen en versnellen. Deze kern wordt nog steeds gevonden in proteïnen van sommige Archaea en bacteriën.

Van internet: stroming van zuur en alkalisch zeewater

De zeeën van nu zijn licht alkalisch. In het verschil dat er toen bestond tussen de alkalische bronnen en de zure oceanen ziet Russell een chemisch potentiaal. Zuren (laag pH) bevatten bijzonder veel protonen (H⁺) en de alkalische bronnen juist weinig. Binnen de poriën van deze rotsen kunnen aan beide kanten van inorganische membranen

Van internet: pyrofosfaat

verschillen in protonenconcentraties ontstaan die de basis vormen voor al het leven. De protonen zullen vanuit de hoge concentratie zich via dit membraan verplaatsen naar de kant met een lage concentratie aan protonen. De energie die daar uit voortkomt, ofwel dit chemiosmostische gradient produceert tegenwoordig in alle levende organismen ATP* (het universele energie-molecuul). In de poriën van toen werd i.p.v. ATP het simpelere acetylfosfaat en pyrofosfaat daarvoor gebruikt. Pyrofosfaat wordt naast ATP nu nog steeds door veel bacteriën en Archaea gebruikt. Pyrofosfaat wordt door het enzym pyrofosfatase gemaakt, een enzym dat zowel bij Archaea als bacteriën aanwezig is en ze daarmee wellicht verenigt.

De conclusie is dat de poriën in de alkalische bronnen in de eerste miljarden jaren op aarde samen met een zure zee, protongradiënten vormden die de energie leverden voor het eerste leven.
De poriën zouden daarbij ook kleine omhulsels gevormd kunnen hebben voor de verzameling van de eerste precursoren van aminozuren en nucleotiden, de bestanddelen van proteinen en DNA/RNA.

Bron : NewScientist