Abiyogenez - 2: Canlılığın Temelindeki Moleküllere Giriş: 'Hayat Molekülleri'

Yazdır Abiyogenez - 2: Canlılığın Temelindeki Moleküllere Giriş:

Bu yazımızdan itibaren, ilk yazımızda verdiğimiz önemli giriş bilgilerinin üzerine, artık "Hayat Molekülleri" dediğimiz kimyasal bileşiklerin ne olduğundan ve canlılık için neden önemli olduğundan bahsetmek istiyoruz. Sistematik bir biçimde bu molekülleri, işlevlerini, yapılarını, oluşumlarını analiz edecek ve sonrasında daha derin konulara doğru ilerleyeceğiz. Ancak bir insanın canlılığın ne olduğunu ve cansızlıktan nasıl evrimleştiğini anlayabilmek için, canlılığın temelini oluşturan ve bir önceki yazımızda bahsettiğimiz aktivite ve organizasyon özelliklerini kazanmalarını sağlayan molekülleri tanıması gerekmektedir. Bu yüzden, bu yazılarımız daha da önem arz etmektedir.

 

Bilindiği gibi Evren dahilindeki her madde atomlardan (ve atom altı parçacıklardan) oluşmaktadır. Beyninizden karaciğerinize, arabanızdan klavyenize, Mars'tan Andromeda Galaksisi'ne, bir mol hidrojen molekülünden bir saç tanesine kadar her şey, atomlar yığınıdır. Sizi "canlı" yapan da atomlardır, bir taş parçasını "cansız" yapan da... Hatta çoğu zaman bu ikisindeki moleküller aynı ya da benzer bile olabilir! İki varlık grubu arasındaki tek fark, bir önceki yazımızda ele aldığımız kimyasal evrimdir. Canlıları oluşturacak olan kimyasallar belli bir yönde evrimleşmişken, cansızları oluşturacak daha geniş bir grup farklı bir evrimsel süreç izlemiştir. Canlılarla ilgili evrimi anlamak için bu yazı dizimizi okumaya devam ediniz; cansızlarla ilgili bir örnek olaraksa, canlıların vücudunun çok büyük bir kısmını oluşturan karbonun, geçen yazımızda izah ettiğimiz gibi, tamamen doğal süreçlerin etkisi altında, tamamen cansız olan kömür ve elmasa evrimini hatırlayınız. Bu evrimin, biyolojik bir evrim olmadığını ve birebir aynı şekilde düşünemeyeceğimizi de vurgulamamız gerekir. Burada bahsettiğimiz, biyolojik evrime benzer ancak aynı olmayan kimyasal bir evrim sürecidir. Örneğin kimyasal evrimde üreme ve gelecek nesillere bilgi aktarımı bulunmaz; bu yüzden biyolojik evrime göre çok daha fazla kesintilidir ve çevresel etkilerin çok daha sabit olmasına ihtiyaç duyar. Bunlara, canlılığın cansızlıktan evrimini anlatacağımız ilerideki yazılarımızda daha fazla gireceğiz. 


Konuya geçmeden önce, kimyasalları oluşturan atomlar ve moleküllerin tanımlarına bakmakta ve biraz bilgi vermekte fayda görüyoruz:


Atom, bir maddeyi meydana getiren nano-boyuttaki temel parçacıkların adıdır. Temel olarak, periyodik cetvelde element olarak gösterilen bağımsız madde parçacıklarının her birinin tekil hali olarak düşünülebilir. Her bir elementten Evren'de bildiğimiz hiçbir sayıyla kıyaslayamayacağımız fazlalıkta atom bulunmaktadır. Sadece Dünya'da 1.33-9.01 x 1050 adet (500 katrilyon kere katrilyon kere katrilyon kere katrilyon adet) atom bulunduğu düşünülmektedir! Bu, ortalama olarak 5 sayısının yanına tam 50 tane sıfır konulması demektir! Basitçe şöyle düşünelim: İnsan vücudunda 10 trilyon civarında hücre bulunur. Her bir hücrenin içerisinde yüzbinlerce organel ve yapı bulunur. Her bir organel ve yapı, milyarlarca kimyasalın birleşiminden oluşur. Ve her bir kimyasal çoğunlukla milyarlarca, trilyonlarca atomdan oluşur. Dünya'da 7 milyara yakın insan bulunur. Ve insanlar, sadece Dünya üzerinde bilinen biyokütlenin çok çok küçük bir kısmına sahiptirler. Örneğin sadece ekili bitkilerin biyokütlesi, insanlardan 20 kat fazladır. Sadece evcil hayvanların biyokütlesi insanların 7 katıdır. Sayıları birbiriyle çarpıp toplayınca elde edebileceğiniz değerlerin devasalığını düşünmeyi size bırakıyoruz. Basit bir kıyaslama olması açısından, tek bir insanın vücudunda ortalama 7 x 1027 adet atom bulunmaktadır. Bir diğer deyişle her birimizin vücudunda 7 milyar kere milyar kere milyar sayıda atom bulunur!


Evren'de bulunan atom sayısı, her zaman Fizikçileri cezbetmiştir. Yapılan hesaplamalar, sadece gözlenebilen Evren içerisindeki atom sayısının  4 x 1079 ila 4 x 1081 arasında olduğunu düşündürmektedir. Fiziksel olarak yapılan hesaplamaların gösterdiği üzere, bütün Evren'in büyüklüğünün, gözlenebilir Evren'in büyüklüğünden 1023 katından daha fazla olduğunun hesaplandığını belirtmek isteriz. Kısaca söylemek istediğimiz, Evren içerisinde o kadar fazla sayıda atom vardır ki, günümüzde bildiğimiz fizik yasaları etkisi altında, çevremizde gördüğümüz her yapının tamamen doğal süreçlerle evrimleşmesi tamamen muhtemeldir.


Tüm bunları anlatma sebebimiz, Evren içerisindeki, hatta sadece Dünya içerisindeki atomların inanılmaz sayısıdır. Bu sayıdaki atomun sürekli etkileşimi düşünüldüğünde, birçok bileşiğin yeteri kadar zaman verildiğinde kendiliğinden ve envai çeşitte oluşabileceğini düşünmek son derece kolay ve mantıklıdır.  


Her bir atomun, kendine has fiziksel ve kimyasal özellikleri vardır. Kimyada, aynı elementlere ait atomların bir araya gelerek oluşturdukları daha büyük parçalara molekül denmektedir. Eğer farklı elementlere ait atomlar bir araya gelerek daha büyük bir yapı oluşturuyorlarsa buna bileşik denir. Ne var ki biz bu detaylara girmemek adına, "bileşik" ile "molekül" sözcüklerini eş anlamlı olarak kullanacağız ve hepsine birden "molekül" diyeceğiz. Fakat yine de siz ikisi arasındaki farkı aklınızda tutunuz.


Konumuz dahilinde, tüm bu atom ve molekül açıklamalarını yapmamızın bir diğer sebebi, daha önce de net bir şekilde açıkladığımız üzere, "canlılığın" "cansızlıktan" başlamasının son derece anlaşılır ve mantıklı olduğunu görebilmenizdir. Atomların farklı kombinasyonları ve göreceli olarak sabit çevre koşulları etkisi altında, farklı bölgelerde, farklı kimyasal evrim süreçlerinin olması sonucu, farklı yapılar (canlılar ve cansızlar) pek tabii oluşabilecektir. Karbon örneğimize geri dönelim: belli kimyasal yapıdaki karbon yığınları (kömür gibi), yüksek basınç altında Dünya'nın en sert malzemesi olan ve kömürden tamamen farklı özelliklere sahip olan elmasa dönüşür. Bu, büyük bir yetenektir! Bunu hangi canlı, varlığını koruyarak yapabilir? Hiçbiri. Peki neden canlılık bu kadar göz önünde, ön plandayken, karbon elementi bu özelliğinden ötürü el üstünde tutulmamaktadır? Hangisinin daha "önemli" olduğuna nasıl karar vereceğiz? İşte, aslında hiçbiri önemli değildir. Önem sırası, insanlar tarafından belirlenir ve doğa açısından bütünüyle geçersizdir. Kategorizasyonu insanlar yaptığı için, kendilerini ve kendilerine benzer olan varlık gruplarını el üstünde tutarlar, diğerlerini ise göz ardı ederler veya yererler. Bu sebeple, çok eksi yıllarda yapılan "canlılık sınıflandırmaları" hep cansızları canlıların alt basamaklarına itmiştir. Günümüzde bile halk arasında cansızları daha düşük olarak görmeye, bir hiyerarşi yaratmaya eğilim vardır. Halbuki doğada böyle bir hiyerarşi yoktur!


Bu giriş ve temel bilgilerden sonra, "Hayat Molekülleri" dediğimiz kimyasallara giriş yapabiliriz:

 

Hayat Molekülleri, ya da diğer bir ismiyle organik moleküller en azından bizim bildiğimiz ve tanımladığımız anlamıyla canlılığın var olabilmesi ve varlığını sürdürebilmesi için gereken kimyasal moleküllerdir. Temel olarak nükleotitler, lipitler, proteinler ve karbonhidratlar "hayat molekülleri"dir. Bu moleküllerin hepsinin genel formları üç aşağı beş yukarı benzer olsa da, işlevleri kimyasal ve fiziksel özelliklerinden dolayı birbirlerinden tamamen farklıdır. Bu farklı özelliklerin toplamı, bugün bizlerin "canlı" olarak isimlendirdiği varlık formlarını meydana getirir. Daha doğrusu, canlılık için gereken aktivite ve organizasyon şartlarının istikrarlı bir şekilde sağlanabilmesi için bu kimyasallardan oluşan bir yapı ve bu yapının uzun süreli deneme-yanılma ve eleme-seçme mekanizmalarından geçmesi gerekmektedir. Dolayısıyla, şimdilik bildiğimiz kadarıyla, bu moleküllerden oluşmayan bir varlığın canlılığın ilkelerini bir arada bulundurması pek mümkün değildir. Bunda, bu moleküllerin istikrarlı yapısının (tepkimeler, radyoaktivite, vb. kimyasal özellikler bakımından) çok büyük önemi olduğunu unutmamak gerekmektedir.

 

Bizi "canlı" kılan moleküllerden hangisinin ilk olarak oluştuğunu kestirmek çok güç. Zira yapılacak tahminler, spekülasyondan öteye gitmeyecektir; bu oluşumlar çoğunlukla rastlantısaldır ve tamamen çevre koşullarına bağlı olarak gerçekleşirler. Ancak bu konuda yapılacak en iyi tahmin, hepsinin birbirine yakın zamanlarda oluşmuş olduğudur, çünkü günümüzdeki laboratuvar deneylerinde gözlemlediğimiz de budur. Zaten kalıtım materyali görevini üstlenen nükleotitler, enerji ve yapıtaşı olma konusunda önemli görevi olan karbonhidratlar, düzenleyici ve istikrarı sağlayıcı yapılarından ötürü proteinler ve esneklik, koruma ve barındırma gibi özelliklerinden ötürü lipitler, farklı zamanlarda oluşmuş olsalar da, canlılığın evrimleştiği zaman aralığında çoktan oluştukları ve halihazırda serbest halde bulundukları için bizim açımızdan oluşum sıraları pek de önemli değildir. Bizim için önemli olan, canlılığın yapısına katılımları ve etkileridir.

 

Şimdi, bu noktada, “canlılık” tanımına yeniden göz atmakta fayda var. Kimyada “organik moleküller”, canlıları cansızlardan pratik olarak ayırmak için kullanılabilirler; çünkü bahsettiğimiz gibi canlıların tamamında organik moleküller bir arada bulunur, cansızlarda ise bulunmak zorunda değildir. Ancak bu, çok verimli bir kategorizasyon değildir. Çünkü canlılarda elbette inorganik moleküller de bulunmaktadır; her ne kadar canlı vücudunun büyük bir kısmı organik moleküllerden oluşsa da... Benzer şekilde cansız yapılarda da belli başlı organik moleküller bulunabilir. Buna rağmen, belli bir oranın üzerinde organik yapılardan oluşan varlıkların canlı olması pek muhtemeldir. Burada akla şu soru gelebilir: Peki “organik moleküller” hangi atomlardan oluşur ki, bu yapıları "canlı" kılar? Karbon (C), Hidrojen (H), Oksijen (O), Nitrojen (N), Fosfor (P) ve Sülfür (S). Yani bir canlıya "canlılık" özelliğini katan molekülleri oluşturan atomlar, tam da bekleneceği gibi periyodik cetvel üzerinde bulunan sıradan atomlardır ve tek başlarına herhangi bir özel durumları bulunmamaktadır. Bu da bize canlılığın cansızlıktan bir farkı olmadığını yeniden göstermektedir.

 

Oldukça kesin olan bir gerçek vardır: Evrim çoğu zaman basitten karmaşığa doğru gerçekleşmektedir; çünkü fizik temelli enerji yasaları istikrarlı bir ilerleme için bunu zorunlu kılar. Bunun temel sebebi, evrimin yeni bir materyalleri bir anda "yaratamaması" (yoktan var edememesi ); ortada halihazırda var olan materyali ve çeşitleri değiştirerek kullanması gerekliliğidir. Dolayısıyla, canlılığı cansızlıktan ayıracak olan hayat molekülleri de, esasında kendilerinden önce oluşan inorganik veya organik bileşiklerden, kimyasal yollar, süreçler ve tepkimelerle evrimleşmiş yapılardır. Var olan kimyasal yapılar, ortama uygunlukları açısından doğa tarafından bir varlık sınavına tabi tutulurlar. En uyumlu ve istikrarlı olanlar varlıklarını daha uzun süreler korur, diğerleri ise parçalanarak dağılır ve yok olur. İşte biz buna, basitçe, Kimyasal Doğal Seçilim adını vermekteyiz. Unutmamak gerekir ki, sadece istikrarlı ve düzenli olanlar ortama en uygunlar olmak zorunda değildir. Kimi ortam ve çevre şartlarında istikrarsızlık ve hızlı bozunma da, bu süreçlerin içerisinde bulunduğu daha büyük yapıların sürekliliği açısından avantaj sağlayabilir. Önümüzdeki yazılarda bunları detaylıca ele alacağız.

 

Dolayısıyla bir protein molekülü, yağ molekülü, nükleotit molekülü, vb. oluşmadan önce, bunları oluşturan yapıtaşları oluşmalıdır ki bunlar daha küçük, daha basit yapıda moleküllerdir. Biri daha da derinlere inerek molekülleri oluşturan yapılara bakarsa, beklendiği gibi atomları görecektir. Daha da derinlerde atomaltı parçacıklar yatar; ancak bu konu bizi şu anda ilgilendirmiyor. Bilmemiz gereken nokta, atomların bir araya gelmesiyle envai çeşit molekülün oluşabildiği ve bu moleküllerden "Hayat Molekülleri" olarak isimlendirilen bir grubun bazı varlık formlarının "canlılık özellikleri" olarak verdiğimiz özelliklere sahip olmalarını sağladıklarıdır.



Şekerler: Yapıları, Özellikleri ve Oluşumları

 

Gelin şimdi, lafı daha fazla uzatmadan, sizlerle bu “hayat moleküllerinin” yapılarına bakalım. Aşağıda, canlılarda en çok kullanılan iki karbonhidratın (şekerin) kimyasal yapısını görüyoruz:

 

 

Glikoz (glucose) ve fruktoz (fructose, meyve şekeri) gibi basit şekerler, canlılar için hayati öneme sahiptir. “Monosakkarit”tirler (basit/tek şeker) ve canlıların yapısında bulunabilen birçok kompleks şeker molekülünün (nişasta, glukojen, kitin, selüloz, vb.) temelini oluştururlar. Bunların hepsi canlılık dahilinde yapıtaşı olarak ve daha önemlisi, enerji kaynağı olarak kullanılmaktadırlar. Enerji üretemeyen bir canlının, hayatta kalmak ve üremek için bir aktivite sürdürmesi ve organizasyonunu aktif olarak koruması beklenemez. Dolayısıyla enerji, canlılık için hayati bir kavramdır. Canlılar için bu kadar önemli olan bu molekülleri incelediğimizde, belki de umduğumuzun aksine, pek de sıradışı bir yapı görmüyoruz: 6 adet Karbon atomu (C), 12 adet Hidrojen (H) atomu, 6 adet de Oksijen (O) atomu bir araya gelerek canlıları "canlı" kılan moleküllerden biri olan şekerleri üretebiliyor.

 

Bu şeker molekülleri, farklı sıra ve biçimlerde bir araya gelerek, daha büyük bileşikleri oluşturabilirler. Örneğin yukarıdaki glukoz ve fruktoz bir araya gelerek, sukroz isimli bir diğer şekeri oluşturabilirler:

 

 

İşte bu şeker molekülleri, daha farklı şekillerde birbirlerine bağlanarak, devasa şeker bileşiklerini oluşturabilirler. Örneğin aşağıda sadece glukozların bir araya gelmesinden oluşan bir glukojen bileşiğini görüyorsunuz:

 

 

Görselin üst kısmında bağların nasıl kurulduğu gösteriliyor. Alt kısımda ise, kapalı bir çizim örneği verilmiş glikojen için.

 

Bu bileşikler, canlıların yapıtaşı olan hücrelerin pek çok farklı bölgesinde kullanılabilirler. Örneğin enerji üretmek üzere oksijen ile tepkimeye sokulabilirler, bir diğer "hayat molekülü" olan proteinlerle birleşerek hücre zarının yapısına katılabilirler, vs. Örneğin glikoz, hayvanların çoğunun temel enerji kaynağıdır ve hayvanlarda glukoz karaciğerde yukarıda verdiğimiz glukojen şeklinde depolanır. Ancak aynı glukoz, farklı bir bağ yapısı kurarak bitkilerin güçlü hücre duvarını oluşturan selülozu oluşturabilirler. Ya da bir diğer biçimde kimyasal bağ kurarak, böceklerin dış kabuklarında bulunan sert kitin yapısını oluşturabilirler. Kısaca her şey kimyasal bağlar ve bunların tipleri ile ilgilidir. Aynı temel bileşikler (ya da "hayat molekülleri"), farklı kimyasal bağların etkisi altında farklı yapılara katılabilirler. Zaten hücrelere bakacak olursanız, "hayat molekülleri"nin farklı bileşimlerinden başka bir şey olmadıklarını göreceksiniz. Kısaca farklı bağlar, farklı ürünler demektir. Bu kadar farklı olasılığın, farklı şekillerde yapıya katılması ve milyarlarca yıldır süren Evrim etkisiyle günümüzdeki canlılık çeşitliliğine ulaşırız. 


19. yüzyıldan beridir, şekerlerin doğal süreçlerle oluşabileceğini ve ne tür kimyasalların, hangi şartlarda tepkimesinin şekerleri oluşturacağını net bir şekilde bilmekteyiz. Bu konuda, daha 1861 yılında Alexander Butlerov tarafından yapılan deneyler, şekerlerin oluşumuna ışık tutmuştur. Aldehit ismi verilen kimyasalları yüksek sıcaklıkta ve katalizör kimyasallar etkisi altında bırrakan Butlerov, formoz tepkimesi adı verilen bir tepkimeyi gerçekleştirerek basit şekerleri yaratmayı başarmıştır. Deneyde yapılan basitçe formaldehit moleküllerinin yaklaşık 100oC sıcaklıkta kalsiyum hidroksit veya kalsiyum karbonat ile katalize etmektir. Bunun sonucunda ilk etapta glikoaldehitler, sonra D-gliseraldehit ve dihidroksiaseton oluşmaktadır. Bu şekilde devam edilen deneyde D-gliseraldehit ve glikolaldehit molekülleri tepkimeye girerek riboz gibi 5 karbonlu basit şekerleri üretmiştir. Benzer şekilde, D-gliseraldehit ile dihidroksiaseton moleküllerini karıştırırarak D-glikoz ve D-galaktoz gibi 6 karbonlu basit şekerleri yaratmayı başarmıştır. Tüm bu tepkimelerin bir şemasını aşağıda görmek mümkündür:



 

Bu şekilde sürdürülen deneyler, canlılığın ilk olarak başladığını sonradan keşfettiğimiz, okyanus tabanlarındaki volkanik bacalar ve etrafındaki kimyasalların keşfiyle daha da isabetli sonuçlar vermeye başladı. Çünkü o ortamların yeniden modellenmesi, buralarda canlılık için gerekecek kimyasalların nasıl sentezlenmiş olabileceğini anlamamızı sağladı. Sadece bu bölgelerde, okyanus tabanlarında bulunan kimyasalların deneylerde analiz edilmesiyle, canlılığı oluşturacak tüm kimyasalların yaratılmasının mümkün olduğu gözlendi. 


Örneğin 1989 yılında Alman biyolog Egon T. Degens tarafından yapılan bir araştırmada formaldehit ile kaolin kimyasallarının 100oC gibi bir sıcaklıkta kalsiyum fosfat ile tepkimesi sonucu basit bir şeker olan D-ribozun tamamen doğal biçimde oluşabileceğini ispatladı. Bunun haricinde aynı deneyde, az sonra değineceğimiz adenin gibi nükleotitleri ve fosfolipitleri de üretebilmiştir. 



Proteinler: Yapıları, Özellikleri ve Oluşumları

Şimdi de canlılar için genellikle “kritik önemdeki molekül” sayılan proteinlere bakalım. Proteinler, aminoasit denen daha ufak moleküllerin uç uca, üst üste, yan yana eklenmesi sonucu oluşan bir atom kompleksidir. Aşağıda günümüze kadar süren evrimsel süreçte oluşmuş 20 temel aminoasidi ve bunların kimyasal yapısını görmektesiniz:

 


 

Burada gösterilenler canlılığın yapıtaşları arasında olduğu bilinen 20 aminoasittir. Ancak canlılığın yapısına katılmayanları da sayacak olursak, 300'den fazla aminoasit türü olduğu bilinmektedir. Görselden görülebileceği üzere, bir aminoasidin de yapısında diğer moleküllerden farklı bir özellik yoktur. Tek gördüğümüz, karbonlar, oksijenler, hidrojenler ve azot. Bu arada, orada “R” ("Radikal" kelimesinin ilk harfidir) ile gösterilen yer, değişken bir gruptur. Oraya da değişik atomlar bağlanarak, değişik aminoasitleri oluştururlar. Bu aminoasitler, farklı şekillerde uç uca birleşerek sonsuz sayıda protein oluşturabilirler. Çünkü yukarıdaki 20 aminoasitten sadece 20 tanesi bir araya gelerek bildiğimiz en küçük protein olan TRP-Cage proteinini oluşturabilecekleri gibi, aynı 20 aminoasitten yüzlercesi ve binlercesi bir araya gelerek dev proteinleri de oluşturabilirler. Örneğin vücudumuzda bulunan 27.000-33.000 aminoasitli titin proteini, bildiğimiz en büyük proteindir. Dolayısıyla bu kadar geniş aralıkta, aminoasitlerin bir araya gelmesiyle sonsuz sayıda kombinasyon oluşabilmektedir.

 

Örneğin aşağıda bir G-Proteini görüyorsunuz:

 

 

Bu protein yapısında yüzlerce aminoasit, farklı sıra ve sayılarda kullanılmaktadır (yukarıdaki temsili bir 3 boyutlu çizimdir, dolayısıyla aminoasitler ayrı ayrı gözükmemektedir). Bu sıraların ve sayıların değişmesi, farklı özelliklerde proteinlerin üretilmesi, bu da farklı protein moleküllerinin farklı işlevlere sahip olabilmesi demektir. Proteinler, temel olarak her yerde kullanılabilen, çok önemli, son derece istikrarlı (stabil) moleküllerdir. En önemli görevleri arasında enzimleri oluşturmak ve diğer tepkimelerin hızlarını kat be kat arttırmak bulunur. Vücudumuzdaki neredeyse her işlev proteinler sayesinde yapılır. Çünkü genetik kodlarımız, proteinlerin üretimini kodlamaktadır ve bu sayede aklınıza gelebilecek her özelliğimizi kazanırız. Bu sebeple canlılığı "proteinlerin işlevlerinin bir ürünü" olarak görmek çok da isabetsiz bir düşünce olmayacaktır. Ayrıca proteinler, hücrelerin yapısına da katılarak önemli iletişim ve yapı görevleri üstlenebilirler. Tüm bunlar, aminoasitlerin farklı kombinasyonlarından ötürü proteinlerin de farklı özelliklerde olabilmesinin bir sonucudur.

 

Aminoasitler ve proteinler ile ilgili birçok kimyasal bilgi verilebilecek olmasına rağmen, burada sadece temel bir bakış açısı kazanmanızı hedeflemekteyiz. Bu yüzden, bizi asıl ilgilendiren konuya odaklanmak istiyoruz: aminoasitlerin kendiliğinden var oluşlarının biyokimyasal açıklamasına...


Her ne kadar aminoasitlerin kimyasal tepkimelerle, dolayısıyla kendiliğinden oluşabileceklerini ispatlayan deneyler 19. yüzyılın başlarına, Alman kimyager Friedrich Wöhler'e kadar dayansa da; başarılı bir biçimde, laboratuvar ortamında ilk defa 1850 senesinde Adolphe Strecker tarafından bir aminoasit üretilmiştir. Strecker, yine okyanus tabalarında bulunduğunu bildiğimiz (o zamanlarda bu bilinmiyordu) asetaldehit, formladehit, amonyak ve hidrojen siyanit kullanarak alanin ve glisin isimli bir aminoasitleri doğal yollarla sentezlemeyi başarmıştır. Bugün bu tepkimeler Strecker Sentezi olarak bilinmektedir (aşağıda gösterilmiştir). Günümüzde bu tepkime ve benzerlerinin okyanus tabanlarındaki volkan bacaları etrafında, kendiliğinden olduğunu ve aminoasitleri oluşturduğunu biliyoruz.




Sadece bu da değil. 1913 yılında Walther Löb ve Oskar Baudish potasyum siyanür ve formaldehit kullanarak, mor ötesi ışınlar ve elektrik etkisi altında glisini üretmeyi başardı. Hatta sonradan, ilkel atmosferik koşullarda karbonmonoksit ve amonyak gazlarının elektrik yükü altında tepkimesiyle de formamidinin sentezlenebileceğini ispatladılar. Günümüzde, canlılığın başlangıcı için gereken tüm kimyasalların su içerisinde oluşmadığını ve atmosferde de birçok kimyasalın oluştuğunu biliyoruz. Daha sonradan okyanuslar üzerine yağmurlarla veya başka yollarla çöken bu kimyasallar, okyanus tabanlarında birikmeye başlamış ve canlılığın yapısına katılmıştır. Dolayısıyla canlılığın başlangıcını sadece okyanus tabanlarıyla sınırlı tutmak doğru olmayacaktır. Bunlara daha sonradan geleceğiz.


Aminoasitlerin doğal süreçlerle oluşabileceği konusuna odaklanan tek bilim insanları bunlar değildir. Yüzlerce biyokimyager bu konuda uzmanlaşarak canlılığın sırlarını çözmeye çalışmışlardır. Bunlardan en meşhur olanları şüphesiz öncelikle Alexander Oparin, sonrasında ise Stanley Miller ile Harold Urey'dir. 1953 yılında ilk defa yapılan Miller-Urey Deneyi, günümüzde halen  yankılarını sürdürmektedir. O dönemden sonra yapılan 460'tan fazla denemede, sadece tüm aminoasitler değil, Hayat Molekülleri'nin neredeyse tamamı laboratuvar koşullarında elde edilebilmiştir. Bu deneyi ve detaylarını bir başka yazımıza sakladığımız için burada detaylarına pek girmeyeceğiz. Ancak ilk yapılan ve temel bazı hataları bulunan (sonradan diğer deneylerde düzeltilmiştir) Miller-Urey Deneyi'nde üretilen aminoasitler şunlardır: alanin, glisin, valin, glutamik asit, serin ve aspartik asit. Üstelik tüm bunların oluşumu sadece 6 gün sürmüştü! 2012 yılında Harold Urey'in laboratuvarında sakladığı bazı deney tüpleri açığa çıkarılmıştır. Yapılan analizlerde, 1953 senesinden bu yana bekleyen tüplerde tüm aminoasitlerin, şekerlerin tamamının, nükleik asitlerin ve canlılığın yapısına doğrudan katılmayan birçok organik molekülün kendiliğinden oluştuğu görülmüştür. Tahmin edilebileceği gibi bu deneylerde zaman arttıkça, ürünler de artmaktadır. Unutmayınız ki yapılan deneyler, 600 milyon yıldan uzun zamanda oluşan canlılığın temellerini birkaç gün ve haftada elde etmeyi hedeflemektedir. 


Daha sonradan yapılan deneylerde, aminoasitlerin doğal süreçlerle bir araya gelerek proteinleri oluşturabileceği de ispatlanmıştır. Örneğin Sidney Fox'un yaptığı deneylerde 150oC sıcaklıkta 15 gün kadar bir süre içerisinde 23 aminoasit uzunluğunda proteinlerin oluştuğunu gözledi. Fox, bu deneylerinde sodyum klorür, bikarbonat, aspartik asit, glutamik asit, karbonik asit, amonyum klorür gibi kimyasallar kullanmıştır. Kendisinden sonra yapılan deneyler de, Fox'un çalışmalarını doğrulamış ve hatta daha uzun yapılı proteinlerin de birkaç haftada kendiliğinden oluşabileceğini ispatlamıştır.



Lipitler: Yapıları, Özellikleri ve Oluşumları

Proteinlerin de sıradan kimyasal yapılar olduğunu anladıysak, şimdi bir de lipit (yağ) moleküllerinin yapıtaşlarına bakalım. Lipitlerin diğerlerinden farklı olarak iki tip yapıtaşı vardır: gliserol ve yağ asitleri. Gliserolün yapısı aşağıdadır:

 

 

Görüldüğü gibi bu da, artık tahmin edebileceğiniz gibi, son derece sıradan bir moleküldür. Yağ asitlerinin yapısı da şöyledir:

 

 

Bunların ikisinin birleşimi, yağ moleküllerini oluşturmaktadır:

 

 

Yağ molekülleri, canlılık için son derece önem arz etmektedir; buna ayrı bir yer ayıracağız. Ancak şimdiden bilinmesi gereken, yağ moleküllerinin yapısından ötürü su içerisinde küresel, çift katmanlı bir zırh oluşturabildikleri gerçeğidir. Bu zırh, tamamen fizik yasaları etkisi altında olmaktadır ve oldukça istikrarlıdır. İlk hücresel yapıların bu zırh içerisinde başladığı düşünülmektedir ve bu düşünce, günümüzdeki bütün hücrelerin zar yapılarının yağ temelli olmasıyla desteklenmektedir. Yazı dizimizin ilgili yazısında lipitlerin yaşamın başlangıcı için önemine daha detaylı bir biçimde gireceğiz.


Burada değinmek istediğimiz konu ise, lipitlerin oluşumundaki kilit nokta olan gliserolün doğal yollarla nasıl oluşabileceğini açıklamaktır. Bu konuda yapılan ilk çalışma, 1971 yılında Takashi Mizuno ve Alvin Weiss tarafından yapılmıştır. Yapılan deneylerde D-gliseraldehit ile formaldehit, düşük sıcaklıkta sodyum hidroksitin katalizörlüğünde tepkimeye girerek sadece 30 dakika içerisinde gliserol oluşabilmiştir. Üstelik sadece gliserol de değil, riboz ve glikoz gibi şekerler de bu tepkime sırasında oluşmuştur. Günümüzde bu tepkimeler Cross-Cannizzaro Tepkimesi olarak bilinmektedir. Aşağıda bu tepkime görülmektedir:



 

Görülebileceği gibi tüm yaşam molekülleri, çok basit tepkimelerle, kendiliğinden oluşabilmektedir. Dahası, bu tepkimeler için gerekli tüm inorganik altyapı, zaten Dünya'nın oluşumu sırasında gezegenimiz içerisinde bulunmaktadır. Dolayısıyla tek yapılması gereken beklemektir. Tıpkı domino taşlarının yıkılması gibi, zaman içerisinde tepkimeler gerçekleşerek canlılığın temellerini oluşturmuşlardır. 


Geriye sadece nükleotitleri oluşturmak kaldı; ancak onlara burada girmeyeceğiz, bir sonraki yazımıza saklıyoruz; çünkü orada, çok daha detaylı olarak işleyeceğiz, akla takılabilecek birçok soruya cevaplar vereceğiz. Hepsini buraya sıkıştırmak istemiyoruz. Ancak şimdiden tahmin edebileceğiniz gibi, nükleotitler de diğer moleküllerden farksızdır, benzer yapılara sahiptirler ve tamamen doğal yollarla, hiçbir dış müdahale olmaksızın oluşabilirler. Bunlara zaten yeri geldiğinde yeniden gireceğiz.

 

Umarız faydalı olabilmiştir.

 

Saygılarımızla.

 

Yazan: ÇMB (Evrim Ağacı)


---


Abiyogenez Yazı Dizisinin Diğer Yazıları:

Abiyogenez - 1: Kimyasal Evrim, Canlılık ve Cansızlık Tanımları
Abiyogenez - 2: Canlılığın Temelindeki Moleküllere Giriş: 'Hayat Molekülleri'
Abiyogenez - 3: Nükleotitler, Genler, DNA, Kromozom ve Diğer Genetik Yapıların Özellikleri ve İşleyişi
Abiyogenez - 4: İlk DNA Nasıl Oluştu? - Retrovirüsler, "Önce-RNA Hipotezi" ve "RNA Dünyası Kuramı"
Abiyogenez - 5: Ribozim, RNA ve DNA'nın Evrimi
Abiyogenez - 6: İlkin Dünya Koşullarında Koaservatların Cansızlıktan Evrimi ve Yağların Önemi
Abiyogenez - 7: Büyük Hayat Moleküllerinin Oluşumu ve Canlılığın Cansız Temeli
Abiyogenez - 8: Koaservatların Evriminin Kısa ve Dar Bir Özeti
Abiyogenez - 9: Proteinler Kendi Kendilerine Nasıl Oluştular? Proteinin Oluşma Hesapları Üzerine...
Abiyogenez - 10: Bütün Canlıların Ortak Amacı Neden "Hayatta Kalmak" ve "Üremek"tir?

Kaynaklar ve İleri Okuma:

  1. Biogenesis, abiogenesis, biopoesis and all that, Carl Sagan, Origins of Life and Evolution of Biospheres, Volume 6, Number 4 (1975), 577, DOI: 10.1007/BF00928906
  2. Conversion of light energy into chemical one in abiogenesis as a precondition of the origin of life, T.E. Pavloyskaya, T.A. Telegina, Origins of Life and Evolution of Biospheres, Volume 19, Numbers 3-5 (1989), 227-28, DOI: 10.1007/BF02388822
  3. Abiogenesis and photostimulated heterogeneous reactions in the interstellar medium and on primitive earth: Relevance to the genesis of life, A.V. Emeline et al., Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, Volume 3, Issue 3, 31 January 2003, Pages 203–224
  4. The possibility of nucleotide abiogenic synthesis in conditions of “KOSMOS-2044” satellite space flight, E.A. Kuzicheva, Advances in Space Research, Volume 23, Issue 2, 1999, Pages 393–396
  5. The emergence of the non-cellular phase of life on the fine-grained clayish particles of the early Earth's regolith, Mark D. Nussinov, et al., Biosystems, Volume 42, Issues 2–3, 1997, Pages 111–118
  6. Models for protocellular photophosphorylation, Peter R. Bahn, et al., Biosystems, Volume 14, Issue 1, 1981, Pages 3–14
  7. Evolution and self-assembly of protocells, Richard V. Sole, The International Journal of Biochemistry & Cell Biology, Volume 41, Issue 2, February 2009, Pages 274–284
  8. Sufficient conditions for emergent synchronization in protocellmodels, Journal of Theoretical Biology, Volume 254, Issue 4, 21 October 2008, Pages 741–751
  9. The emergence of ribozymes synthesizing membrane components in RNA-based protocells, Wentao Ma, et al., Biosystems, Volume 99, Issue 3, March 2010, Pages 201–209
  10. The “protocell”: A mathematical model of self-maintenance, Helmut Schwegler, et al., Biosystems, Volume 19, Issue 4, 1986, Pages 307–315
  11. Computational studies on conditions of the emergence of autopoietic protocells, Naoaki Ono, Biosystems, Volume 81, Issue 3, September 2005, Pages 223–233
  12. Bifurcation for a free boundary problem modeling a protocell, Hua Zhang, et al., Nonlinear Analysis: Theory, Methods & Applications, Volume 70, Issue 7, 1 April 2009, Pages 2779–2795
  13. Protocell self-reproduction in a spatially extended metabolism–vesicle system, Javier Macia, et al., Journal of Theoretical Biology, Volume 245, Issue 3, 7 April 2007, Pages 400–410
  14. A nonlinear treatment of the protocell model by a boundary layer approximation, Kazuaki Tarumi, et al., Bulletin of Mathematical Biology, Volume 49, Issue 3, 1987, Pages 307–320
  15. A model for the origin of stable protocells in a primitive alkaline ocean, W.D. Snyder, et al., Biosystems, Volume 7, Issue 2, October 1975, Pages 222–229
  16. Facilitated diffusion of amino acids across bimolecular lipid membranes as a model for selective accumulation of amino acids in a primordial protocell, William Stillwell, Biosystems, Volume 8, Issue 3, December 1976, Pages 111–117
  17. The origins of behavior in macromolecules and protocells, Sidney W. Fox, Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Comparative Biochemistry, Volume 67, Issue 3, 1980, Pages 423–436
  18. Self-organization of the protocell was a forward process, Sidney W. Fox, Journal of Theoretical Biology, Volume 101, Issue 2, 21 March 1983, Pages 321–323
  19. From prebiotic chemistry to cellular metabolism—Thechemicalevolution of metabolism before Darwinian natural selection,Enrique Melendez-Hevia, et al., Journal of Theoretical Biology, Volume 252, Issue 3, 7 June 2008, Pages 505–519
  20. Natural selection in chemical evolution, Chrisantha Fernando, et al., Journal of Theoretical Biology, Volume 247, Issue 1, 7 July 2007, Pages 152–167
  21. Chemical evolution of amino acid induced by soft X-ray with synchrotron radiation, F. Kaneko, et al., Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, Volumes 144–147, June 2005, Pages 291–294
  22. Radiation-induced chemicalevolution of biomolecules, Kazumichi Nakagawa, Radiation Physics and Chemistry, Volume 78, Issue 12, December 2009, Pages 1198–1201
  23. Evolution of DNA and RNA as catalysts for chemical reactions, Andres Jaschke, et al., Current Opinion in Chemical Biology, Volume 4, Issue 3, 1 June 2000, Pages 257–262
  24. Anatomical correlates for category-specific naming of living andnon-living things, Carlo Giussani, et al., NeuroImage, Volume 56, Issue 1, 1 May 2011, Pages 323–329
  25. Formamide in non-life/lifetransition, Raffaele Saladino, et al., Physics of Life Reviews, Volume 9, Issue 1, March 2012, Pages 121–123
  26. Major life-history transitions by deterministic directional natural selection, Lars Witting, Journal of Theoretical Biology, Volume 225, Issue 3, 7 December 2003, Pages 389–406
  27. From the primordial soup to the latest universal common ancestor, Mario Vaneechoutte, et al., Research in Microbiology, Volume 160, Issue 7, September 2009, Pages 437–440
  28. How life evolved: Forget the primordial soup, Nick Lane, The New Scientist, Volume 204, Issue 2730, 14 October 2009, Pages 38–42
  29. Modelling the early events of primordial life, Yu. N. Zhuravlev, et al., Ecological Modelling, Volume 212, Issues 3–4, 10 April 2008, Pages 536–544
  30. From a soup or a seed? Pyritic metabolic complexes in the origin of life, Matthew R. Edwards, Trends in Ecology & Evolution, Volume 13, Issue 5, May 1998, Pages 178–181
  31. Self-organization vs. self-ordering events in life-origin models, David L. Abel, Physics of Life Reviews, Volume 3, Issue 4, December 2006, Pages 211–228
  32. The steroid receptor RNA activator is the first functional RNA encoding a protein, S. Chooniedass-Kothari, et al., FEBS Letters, Volume 566, Issues 1–3, 21 May 2004, Pages 43–47
  33. RNA, the first macromolecular catalyst: the ribosome is a ribozyme, Thomas A. Steitz, et al., Trends in Ecology & Evolution, Volume 28, Issue 8, August 2003, Pages 411–418
  34. Did the first virus self-assemble from self-replicating prion proteins and RNA?, Omar Lupi, Medical Hypotheses, Volume 69, Issue 4, 2007, Pages 724–730
  35. Characters of very ancient proteins, Bin Guang-Ma, et al., Biochemical and Biophysical Research Communications, Volume 366, Issue 3, 15 February 2008, Pages 607–611
  36. Simple coacervate of pullulan formed by the addition of poly(ethylene oxide) in an aqueous solution, Hiroyuki Ohno, et al., Polymer, Volume 32, Issue 16, 1991, Pages 3062–3066
  37. Preparation of polyacrylamide derivatives showing thermo-reversible coacervate formation and their potential application to two-phase separation processes, Hiroaki Miyazaki, et al., Polymer, Volume 37, Issue 4, 1996, Pages 681–685
  38. Coacervate complex formation between cationic polyacrylamide and anionic sulfonated kraft lignin, Alois Vanerek, et al., Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Volume 273, Issues 1–3, 1 February 2006, Pages 55–62
  39. Complex coacervates as a foundation for synthetic underwater adhesives, Russell J. Stewart, et al., Advances in Colloid and Interface Science, Volume 167, Issues 1–2, 14 September 2011, Pages 85–93
  40. JLab.org-1
  41. JLab.org-2
  42. Inquiring Minds

6 Yorum