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Authors: Granold, Matthias
Title: Die Bedeutung von molekularem Sauerstoff für die Evolution des genetischen Codes
Online publication date: 29-May-2015
Language: german
Abstract: Die Entstehung und Evolution des genetischen Codes, der die Nukleotidsequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz der Proteine übersetzt, zählen zu den größten Rätseln der Biologie. Die ersten Organismen, die vor etwa 3,8 Milliarden Jahren auf der Erde auftraten, nutzten einen ursprünglichen genetischen Code, der vermutlich ausschließlich abiotisch verfügbare Aminosäuren terrestrischer oder extraterrestrischer Herkunft umfasste. Neue Aminosäuren wurden sukzessive biosynthetisiert und selektiv in den Code aufgenommen, welcher in der modernen Form aus bis zu 22 Aminosäuren besteht. Die Ursachen für die Selektion und die Chronologie ihrer Aufnahme sind bis heute unbekannt und sollten im Rahmen der vorliegenden Arbeit erforscht werden. Auf Grundlage quanten-chemischer Berechnungen konnte in dieser Arbeit zunächst ein Zusammenhang zwischen der HOMO-LUMO-Energiedifferenz (H-L-Distanz), die ein inverses quanten-chemisches Korrelat für allgemeine chemische Reaktivität darstellt, und der chronologischen Aufnahme der Aminosäuren in den genetischen Code aufgezeigt werden. Demnach sind ursprüngliche Aminosäuren durch große H-L-Distanzen und neue Aminosäuren durch kleine H-L-Distanzen gekennzeichnet. Bei einer Analyse des Metabolismus von Tyrosin und Tryptophan, bei denen es sich um die beiden jüngsten Standard-Aminosäuren handelt, wurde ihre Bedeutung als Vorläufer von Strukturen ersichtlich, die sich durch eine hohe Redox-Aktivität auszeichnen und deren Synthese gleichzeitig molekularen Sauerstoff erfordert. Aus diesem Grund wurden die Redox-Aktivitäten der 20 Standard-Aminosäuren gegenüber Peroxylradikalen und weiteren Radikalen getestet. Die Untersuchungen ergaben eine Korrelation zwischen evolutionärem Auftreten und chemischer Reaktivität der jeweiligen Aminosäure, die sich insbesondere in der effizienten Reaktion zwischen Tryptophan bzw. Tyrosin und Peroxylradikalen widerspiegelte. Dies indizierte eine potentielle Bedeutung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) bei der Konstituierung des genetischen Codes. Signifikante Mengen an ROS wurden erst zu Beginn der Oxygenierung der Geobiosphäre, die als Great Oxidation Event (GOE) bezeichnet wird und vor circa 2,3 Milliarden Jahren begann, gebildet und müssen zur oxidativen Schädigung vulnerabler, zellulärer Strukturen geführt haben. Aus diesem Grund wurde das antioxidative Potential von Aminosäuren beim Prozess der Lipidperoxidation untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass lipophile Derivate von Tryptophan und Tyrosin befähigt sind, die Peroxidation von Rattenhirnmembranen zu verhindern und humane Fibroblasten vor oxidativem Zelltod zu schützen. Daraus gründete sich das in dieser Arbeit aufgestellte Postulat eines Selektionsvorteils primordialer Organismen während des GOEs, die Tryptophan und Tyrosin als redox-aktive Aminosäuren in Membranproteine einbauen konnten und somit vor Oxidationsprozessen geschützt waren. Demzufolge wurde die biochemische Reaktivität als Selektionsparameter sowie oxidativer Stress als prägender Faktor der Evolution des genetischen Codes identifiziert.
The origin and evolution of the genetic code which translates nucleotide sequence into amino acid sequence, is one of the greatest mysteries of biology. It is assumed that the first organisms, which appeared about 3.8 billion years ago, used only abiotic amino acids of terrestrial or extraterrestrial origin for the constitution of a primordial genetic code. During evolution, the genetic code expanded through the addition of biotic amino acids, to its modern form encoding up to 22 amino acids. The rationale for the selection of specific amino acids to build proteins, and the principles underlying the chronology of amino acid appearance remain enigmatic. In this work, a characterization of amino acids was performed comprising quantum-chemical calculations, metabolic analyses, biochemical assays and cell culture experiments, in order to investigate the evolution of the genetic code. In a basic quantum-chemical approach, a strong correlation could be demonstrated between the HOMO-LUMO gap which is a quantum-chemical correlate of chemical reactivity, and the chronology of amino acid appearance. Thus, primordial amino acids are characterized by large HOMO-LUMO gaps, whereas amino acids considered to be young have small energy differences between their frontier orbitals. Subsequent metabolic analysis of the last two standard amino acids, tryptophan and tyrosine, revealed that these anaerobically produced metabolites of the shikimate pathway are precursors to various molecules whose biological function consists in the transfer of electrons. Moreover, the biosynthesis of these molecules requires molecular oxygen. Therefore, the redox-activities of the 20 standard amino acids towards different radicals were tested, and a significant correlation between evolutionary appearance and reactivity towards radicals could be demonstrated, indicating a potential role of oxygen and reactive oxygen species (ROS) in the constitution of the genetic code. As the primordial production of ROS primarily resulted from the rise of molecular oxygen in the biosphere during the Great Oxidation Event 2.3 billion years ago, it is concluded that oxygen-dependent oxidative stress was a selection factor in the late phase of genetic code evolution. To test this, the antioxidant potential of amino acids was analyzed in terms of cytotoxicity and lipid peroxidation processes. It could be shown that lipophilic derivatives of tryptophan and tyrosine are indeed able to prevent the peroxidation of native lipid bilayers and to protect living cells from oxidative cell death. In this work, it is proposed that organisms which incorporated tryptophan and tyrosine as redox-active amino acids in membrane proteins were protected from oxidative processes and thereby possessed a selective advantage during the oxygenation of the earth. Hence, the factor “biochemical reactivity” was identified as a novel potentially decisive selection parameter for genetic code evolution
DDC: 500 Naturwissenschaften
500 Natural sciences and mathematics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 10 Biologie
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-1851
URN: urn:nbn:de:hebis:77-40701
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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