Het ribosoom: van een RNA- naar een eiwitwereld.

De evolutietheorie beschrijft en verklaart de evolutie van de levende organismen door natuurlijke selectie, maar geeft geen verklaring voor het ontstaan van dit leven op Aarde. Er zijn vele experimenten die aangetoond hebben dat uit een oersoep van inorganische elementen, organische moleculen kunnen ontstaan onder bepaalde omstandigheden die de atmosfeer of de oceanen van de vroege Aarde nabootsen. Het is op deze manier mogelijk aminozuren, nucleotiden en koolhydraten te creeëren die op hun beurt korte ketens van resp. polypepeptiden (eiwitten), polynucleotiden (RNA en DNA), en ribosen (suikers) kunnen vormen. Het is nog niet experimenteel aangetoond dat deze moleculen ook inderdaad de ingewikkelde eiwitten, DNA- of RNA-moleculen vormden die we in levende organismen tegenkomen, maar het is niet moeilijk te veronderstellen dat na een lange incubatietijd en met behulp van hoge temperaturen en/of catalyserende substraten er reacties plaats konden vinden, die inderdaad deze macromoleculen voortbrachten. Zie voor een uitgebreide beschrijving van abiogenese het blog van Qabouter.

Plaatje van subuniteit van ribosoom geleend van Wikipedia. Oranje: enkelstrengs RNA. Blauw: eiwit

Een volgende stap in deze ontwikkeling is de vorming van zelfreplicerende en/of catalyserende moleculen. Het belangrijkste catalyserende molecuul dat zich in alle levende organismen bevindt is het ribosoom. Een ribosoom is gevormd door twee subuniteiten en bevat zowel RNA als eiwitten. Het is verantwoordelijk voor de ‘vertaling’ van het mRNA in eiwitten. Het mRNA is een molecuul dat (meestal) een exacte kopie is van een gen op het DNA. Het DNA dat zich in de celkern bevindt wordt gekopieerd in mRNA dat de celkern verlaat. In het cytoplasma wordt het mRNA door de ribosomen gelezen en vertaald in eiwitten zoals enzymen, antilichamen en structurele proteinen. Het is lang een discussiepunt geweest of de eerste macromoleculen eiwitten waren of RNA. Eiwitten zijn vaak enzymen die reacties kunnen catalyseren, iets wat nodig is voor de synthese van RNA bijvoorbeeld. Het feit dat de catalyserende kern van het ribosoom uit RNA bestaat, waardoor het molecuul ook wel ribozyme genoemd wordt, heeft vele wetenschappers ervan overtuigd dat de oersoep op een bepaald moment een RNA-wereld was, waarin RNA zowel een coderend als en catalyserend molecuul was.

Van deze oermoleculen is natuurlijk allang geen spoor meer te vinden; er zijn geen moleculaire fossielen. Het kan dus nooit direct aangetoond worden dat er bijv. een RNA-wereld was.

Het ribosoom, dat zo’n 4 miljard jaar geleden onstaan moet zijn, is hetzelfde in alle procaryoten (bacteriën) en verschilt van dat van eukaryoten (dieren en planten), die op hun beurt allemaal hetzelfde cytoplasmatische ribosoom hebben.

Een studie in Nature met als titel Hypothesis beschrijft hoe de tegenwoordige ribosomen ontstaan zouden kunnen zijn uit de aggregatie van kleinere domeinen. Deze studie laat zien hoe de subuniteit van het ribosoom 23S (van prokaryoten) achtereenvolgens ontdaan kon worden van 59 onderdelen, zonder dat de stabiliteit van de driedimensionele structuur van het overgebleven deel werd aangetast. Werden deze onderdelen weer langzaamaan toegevoegd, dan hervond het proto-ribosoom een steeds grotere sintesecapaciteit. Elke component voegde zich pas aan het voorgaande geheel toe als dit een verhoogde stabiliteit of efficiëntie betekende. De hypothese is dat gedurende de eerste stadia van evolutie het ribosoom uitsluitend uit RNA bestond (ribozyme) en pas nadat het efficiënt genoeg was om ook eiwitten te produceren werden deze laatsten ook belangrijk op aarde en in de structuur van het ribosoom.

Dit zou de eerste stap geweest kunnen zijn van een RNA-wereld naar een eiwitwereld, maar het blijft slechts een hypothese…