Arbeitsgruppe Kubik

Lehre - Supramolekulare Chemie - Spezielle Themen - Selbstreplikation

Selbstreplizierende Moleküle können ihre eigene Bildung katalysieren. Der Prototyp eines selbstreplizierenden Systems ist die DNA. Bei der DNA Replikation wird ein Strang der Doppelhelix zunächst in einen komplementären Strang übersetzt. Erst bei der Replikation dieses Stranges entsteht eine Kopie des Originals. Im Gegensatz dazu sind die meisten synthetischen replizierenden Systeme selbstkomplementär, d.h. bei der Replikation entsteht direkt eine Kopie des Ausgangsmoleküls.

Selbstreplikation

Dieser Mechanismus hat zwei kritische Punkte:

  • Zum einen kann das Templat auch unkatalysiert entstehen. Die Hintergrundreaktion überlagert also den eigentlichen katalytischen Prozess.
  • Zum anderen ist der Komplex aus zwei Templatmolekülen oft stabiler als der ternäre Komplex aus einem Templatmolekül und dessen beiden Komponenten. Dies führt zu Produktinhibition.

Diese beiden Effekte führen dazu, dass man bei vielen selbstreplizierenden Systemen nicht die für einen autokatalytischen Prozess charakteristische exponentielle Zunahme der Templatkonzentration mit der Zeit beobachtet. Allerdings gibt es durchaus Ausnahmen.

Autokatalyse

Ein wichtiges Kriterium für eine Selbstreplikation, der ein autokatalytischer Prozess zugrunde liegt, ergibt sich aus dem sogenannten Quadratwurzelgesetz. Danach ist die Geschwindigkeit zu Beginn der Reaktion (also bei geringem Umsatz) proportional zur Wurzel der Konzentration des zugesetzten Templats. Experimentell kann dies überprüft werden, indem man die Reaktionsgeschwindigkeit in Anwesenheit unterschiedlicher Mengen des vorgebildeten Templats misst.

Das Quadratwurzelgesetz kann auf einfache Weise hergeleitet werden: Die Geschwindigkeit der Bildung des Templats wird durch ein Gesetz erster Ordnung beschrieben, wenn die Bildung des Templats T aus den Komponenten A und B in dem termolekularen Komplex erfolgt.

Herleitung

Die Konzentration [T·A·B] kann durch charakteristische Stabilitätskonstanten der auftretenden Komplexe ausgedrückt werden, wobei in der zweiten Gleichung die Produktinhibition berücksichtigt ist.

Herleitung

Hiernach ist für die Geschwindigkeit der Bildung von T·T in Bezug auf Konzentration von T·T eine Reaktionsordnung von 0,5 zu erwarten. Am Anfang der Reaktion ist [A] ~ [A]0 und [B] ~ [B]0. [T·T] ist bei stabilen Komplexen nur wenig verschieden von der halben Konzentration der verwendeten Gesamtkonzentration der Matrizenmoleküle.

Ein experimenteller Nachweis dieses Quadratwurzelgesetzes und gleichzeitig die Identifizierung eines selbstreplizierenden Systems auf Basis von Nucleotiden gelang G. von Kiedrowski.

Nucleobase

[Quelle: von Kiedrowski, G. Angew. Chem. 1986, 98, 932-934: <doi>.]

Auf Basis von Nucleotiden gibt es eine Reihe weiterer Ergebnisse zur Selbstreplikation. Das kleinste Nucleotid, das z.B. als Templat eingesetzt werden kann, ist ein Tetranucleotid.

Diese Arbeiten sind u.a. von Bedeutung, da sie die prinzipiell zeigen, dass geeignete Nucleotide auch ohne Enzyme selbstreplizieren können. Notwendig sind allerdings geeignete Kupplungsreagenzien.

Künstliche selbstreplizierende Systeme arbeiten nach einem analogen Schema. Strukturell unterscheiden sie sich von ihren natürlichen Vorbildern allerdings meist erheblich. Ein einfaches künstliches selbstreplizierendes System wurde ebenfalls von G. von Kiedrowski entwickelt.

von

Das wohl am intensivsten untersuchte künstliche selbstreplizierende System wurde in der Gruppe von J. Rebek Jr. entwickelt.

Rebeks

Mit diesem Modell wurden grundlegende Prinzipien der Evolution imitiert. Dazu wurde es leicht modifiziert.

Rebeks

Die substituierten Derivate R2 und R3 sind ebenfalls Replikatoren, sie sind aber weniger effizient als R1, da die Substituenten eine Watson-Crick-Basenpaarung verhindern. R2 und R3 machen außerdem Fehler, da sie nicht nur die eigene Bildung katalysieren, sondern auch die des jeweils anderen Replikators.

Bei Bestrahlung kann die o-Nitrophenylessigsäuregruppe in R3 allerdings abgespalten werden. Dadurch entsteht der effizientere Replikator R1. Dieser Replikator übernimmt dementsprechend die Reaktion und katalysiert bevorzugt seine eigene Bildung.

Die durch Bestrahlung hervorgerufene Mutation führt also zur Selektion (survival of the fittest).

Auf etwas andere Weise kann man Selektion durch Kreuzung der Reaktionswege zweier Replikatoren erreichen. Hierzu wurde ein neuer Replikator R4 entwickelt, der eine Thyminbindungsstelle besitzt und einen Thyminsubstituenten.

Rebeks

Dieser Replikator katalysiert seine eigene Bildung durch Kupplung eines Amins und eines Pentafluorpenolesters an der markierten Stelle.

Mischt man die Komponenten von R4 mit denen von R1, sind vier Reaktionsprodukte möglich: R1, R4 und die jeweils gemischten Kupplungsprodukte. Eines dieser gemischten Produkte ist inaktiv und das andere ein neuer Replikator R5. Auch dieser Vorgang kann prinzipiell als einfaches Modell von Evolution aufgefasst werden, bei der durch fehlerhafte Replikation eine neue, aktive Verbindung gebildet wird.

Ohne Zweifel handelt es sich um sehr einfache Modelle, die im Rahmen der präbiotischen Chemie und der Entstehung des Lebens keine Rolle gespielt haben. Sie zeigen dennoch, mit welchen einfachen Mitteln man sehr grundlegende Prinzipien biochemischer Prozesse studieren kann.

Ein interessantes selbstreplizierendes System wurde von B. Wang und I. O. Sutherland vorgestellt. Hierin beruht die Kopplung der einzelnen Komponenten auf der Diels-Alder-Reaktion. Das System zeigt ein exponentielles Wachstum der Templatkonzentration mit der Zeit.

Sutherlands

Diese Beobachtung wurde auf die strukturelle Ähnlichkeit des Übergangszustands der Diels-Alder Reaktion mit dem Produkt zurückgeführt, wobei allerdings die Bindung des Übergangszustandes an das Templat aufgrund des partiellen Charakters einiger Bildungen mehr strukturelle Flexibilität zulässt als die Bindung des rigiden Produkts.

[Quelle: Wang, B.; Sutherland, I. O. Chem. Commun. 1997, 1495-1496: <doi>.]

Der letzte Replikator, der vorgestellt werden soll wurde von der Gruppe um Ghadiri beschrieben. Dieser Rezeptor ist insofern sehr bedeutsam, da es sich um ein selbstreplizierendes Peptid handelt.

Als Templat dient ein α-helikales Peptid mit 32-Aminosäureuntereinheiten, bei dem aufgrund der Primärstruktur an einer Seite der Helix unpolare Aminosäureseitenketten (vorwiegend Leucin und Valin) lokalisiert sind. Dieses Peptid katalysiert die eigene Bildung aus einem 17mer mit einem Thiobenzylester am C-terminalen Ende und einem 15mer mit einem Cysteinrest am N-Terminus. Die Wechselwirkung dieser Komponenten erfolgt in Wasser durch Kontakte der hydrophoben Seitenketten, beruht also wesentlich auf hydrophoben Wechselwirkungen.

Auch bei diesem System wurde eine exponentielle Zunahme der Templatkonzentration mit der Zeit beobachtet. Außerdem wurde durch verschiedene Kontrollexperimente gezeigt, dass spezifische Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Peptiden auftreten.

[Quelle: Severin, K.; Lee, D. H.; Martinez, J. A.; Ghadiri, M. R. Chem. Eur. J. 1997, 3, 1017-1024: <doi>.]

Literatur

  • Bag, B. G.; von Kiedrowski, G. "Templates, Autocatalysis and Molecular Replication" Pure Appl. Chem. 1996, 68, 2145-2152: <doi>.
  • Wintner, E. A.; Conn, M. M.; Rebek Jr., J. "Studies in Molecular Replication" Acc. Chem. Res. 1994, 27, 198-203: <doi>.
  • Conn, M. M.; Rebek Jr., J. "The Design of Self-Replicating Molecules" Curr. Opin. Struct. Biol. 1994, 4, 629-635: <doi>.
  • Robertson, A.; Sinclair, A. J.; Philp, D. "Minimal Self-Replicating Systems" Chem. Soc. Rev. 2000, 29, 141-152: <doi>.

Letzte Änderung: 19-05-05. Email

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