War Eisen wichtig für das erste Leben auf der Erde?

Es wird angenommen, dass einige Ionen oder Verbindungen erst einige Zeit nach dem Auftreten bestimmter Mutationen am Stoffwechsel lebender Organismen beteiligt oder wichtig wurden. Zum Beispiel wird angenommen, dass das frühe Leben selektiv Calciumionen durch seine Membran lässt, aber schließlich auch die Fähigkeit entwickelt hat, selektiv Natriumionen zuzulassen, insbesondere durch eine Mutation, die zu einer Veränderung der Zusammensetzung eines Kanalproteins von Glutamin zu Lysin führt.

Gegenwärtig ist Eisen an Oxidationen beteiligt, an denen molekularer Sauerstoff beteiligt ist, wie z. B. in Cytochromen, und spielt eindeutig eine Schlüsselrolle im modernen Leben, obwohl freies Eisen oder sogar Eisenverbindungen selten zugänglich sind. Nach meinem Verständnis wurde Eisen höchstwahrscheinlich in den Stoffwechsel von Mikroben eingebaut, nachdem sich während/nach aeroben Organismen entwickelt hatten, aber dies schließt die Möglichkeit nicht aus, dass Eisen früher beteiligt war. Ich frage mich also, ob Eisen im frühen Leben eine Rolle gespielt hat, und Details darüber, wie, wären wünschenswert.

"eine Mutation in der Struktur von Aminosäuren zur Bildung von Lysin"? Wie genau mutiert eine chemische Verbindung? Ich würde bei Ihrer Frage bleiben und unwissenschaftliche Analogien und unbeweisbare Bemerkungen darüber vermeiden, wann verschiedene Aminosäuren entstanden sind.
@David Da die meisten im Leben verwendeten biologischen Verbindungen durch einen genetischen Kontrollprozess hergestellt werden, ist das Sagen von "X mutiert" eine allgemein akzeptable Abkürzung für "die Gene, die die Produktion von X mutiert steuern und die Struktur von X verändern".
@John Ich weiß nicht, in welchen Kreisen das akzeptabel ist, vielleicht Kreationisten, aber wenn mein Student so etwas in einer Prüfung schreiben würde, würde ich ihn auf der Stelle durchfallen - und das wäre eine Gnade im Vergleich zu dem, was meine Master- oder Phd-Betreuer tun würden zu ihm. Die Struktur einer chemischen Verbindung kann nicht mutieren, Punkt. Wenn Sie der Struktur einer chemischen Verbindung ein Atom hinzufügen oder daraus entfernen, wird daraus eine andere Verbindung. Außerdem ist der Titel irreführend. Die Frage, OB Eisen für das erste Leben auf der Erde wichtig war, ist nicht dasselbe wie die Frage, WANN das Eisen wichtig wurde.
Ich fürchte, was Sie schreiben, wird von professionellen Wissenschaftlern weder akzeptiert noch akzeptiert. Auch kann eine Klausel, die einen Mechanismus hervorruft, keine Abkürzung für die einfache Aussage wie „Lysin entstand später“ sein – tatsächlich ist es ein klarer Verstoß gegen Ockhams Rasiermesser. Es impliziert ungerechtfertigt und unnötigerweise ein Wissen über die Reihenfolge der Hinzufügung von Aminosäuren zum genetischen Code, den Mechanismus, durch den der Code erweitert wurde, und eine Art „Zweck“ in Bezug auf den Ionentransport. Ich habe Ihre Frage bearbeitet, um sie wissenschaftlich akzeptabel und der Frage angemessen zu machen.
@david ist dir nicht bewusst, dass Zellen Aminosäuren modifizieren, so wird schließlich die Mehrheit der Aminosäuren produziert. Die posttranslationale Modifikation von Aminosäuren ist ziemlich verbreitet.
John, ich habe mir die Zeit genommen, eine detaillierte chemische Antwort auf den Titel Ihrer Frage zu geben (die ich nicht geändert habe). Vielleicht möchten Sie Ihre Aufmerksamkeit darauf richten. Hast du es verstanden? Scheint es zufriedenstellend? Haben Sie Anmerkungen dazu?
Ich denke, es ist unangemessen, dass Sie eine so große Änderung wie diese vornehmen. Das Leben stützte sich auf Kalzium und dann selektiv auf Natrium. Ich wollte wissen, ob das Gleiche mit Eisen passiert ist und wie, um die Zeitachse des Einbaus verschiedener Elemente für die mikrobielle Evolution zu verfolgen, und meine ursprüngliche Frage brachte mir eine Antwort. ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24517213
Die Wiedereinfügung eines überarbeiteten ersten Absatzes ist unnötig, irreführend und eine schlechte Analogie für Ihre Frage. Erstens fragen Sie nicht, ob Eisen ein anderes Metall oder System ersetzt hat – oder ob Sie dies beabsichtigten, was in Ihrer Frage nicht offensichtlich ist. Zweitens sprechen Sie über den Erwerb von Natriumkanälen aus Kalzium im „frühen Leben“, wenn der Artikel, auf den Sie sich beziehen, von der Evolution der Kanäle in Eukaryoten spricht. Es wäre viel sachdienlicher, Ihre Bemühungen darauf zu verwenden, Ihre Behauptung zu rechtfertigen, dass „Eisen selten zugänglich ist“ – etwas, von dem meine eigene Antwort behauptet, dass es nicht unbedingt wahr ist.
Ich denke nicht, dass es überhaupt irreführend ist, ich denke, Sie sind zu technisch (wenn Ihre Behauptung überhaupt richtig ist), wo es nicht relevant ist. Was ich vorgeschlagen habe, ist ein Beispiel für die Art von Phänomenen, auf die ich mich beziehe, bei denen sich das Leben entwickelt hat, um ein anderes Element auf verständliche Weise zu integrieren, was weiterhin mit mehr Elementen wie Molybdän, Kupfer, Jod und mehr geschah. Die Abhandlung spricht über das Leben, das sich über Milliarden von Jahren entwickelt hat, und Eukaryoten waren nicht immer da, es hat lange gedauert, bis Mikroben die Eigenschaften entwickelt haben, die wir heute sehen.
Wenn Sie Kommentare an andere Personen als die Person richten möchten, deren Beitrag Sie kommentieren, müssen Sie ein @joebloggs hinzufügen, um ihn darauf aufmerksam zu machen, dass der Kommentar an ihn gerichtet ist. Ich kann nur sagen, dass Sie sich meines Erachtens nicht für die Chemie oder Biochemie der Evolution des Eisenstoffwechsels interessieren, wie Ihre Frage impliziert, sondern eher dafür, ob dies ein weiteres Beispiel für eine Änderung der Funktionalität durch die Änderung in liefern könnte eine einzelne Aminosäure. Schade, denn die Frage in Ihrem Titel ist interessant, aber sie erfordert Kenntnisse in Chemie, um sie zu beantworten.
An diesem Punkt ist wirklich keine Chemie erforderlich, es erfordert mehr oder weniger ein einzelnes Datum oder ein Ja / Nein mit Beweisen, um dies zu unterstützen.

Antworten (2)

Cyanobakterien benötigen Eisen für die Photosynthese und können als fossile Stromatolithen vor 3,5 Milliarden Jahren gefunden werden. Stromatolithen sind Schichtstrukturen aus Cyanobakterien und Sedimenten.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Quelle: https://en.wikipedia.org/wiki/Stromatolite

Moderne Stromatolithen sind in der Shark Bay in Australien, in der Chetumal Bay in Belize und in der Laguna Bacalar auf der Halbinsel Yucatan zu finden.

Es wird auch angenommen, dass sich Cyanobakterien zu den ersten Mikroben entwickelt haben, die Sauerstoff durch Photosynthese produzierten, was ein Katalysator für das große Sauerstoffereignis war, das vor etwa 2,45 Milliarden Jahren stattfand.

Sie sagen also, das Leben fing beinahe als Cyanobakterien an? Dies müsste eine ziemlich neue Entwicklung sein, da ich in der Vergangenheit mehrere Quellen gesehen habe, die besagen, dass sich Cyanobakterien erst um 2,7 BYA gebildet haben.
@John Joe: Entschuldigung, ich dachte, ich hätte diese Quelle auch angegeben. ucmp.berkeley.edu/bacteria/cyanofr.html
Wenn das stimmt, warum wurde die Atmosphäre dann erst viel später mit Sauerstoff angereichert?
Obwohl ich dieser Antwort weitgehend zustimme, möchte ich darauf hinweisen, dass wir, soweit ich weiß, wissen, wie ähnlich der Stoffwechsel dieser alten Organismen dem der vorhandenen Organismen war. Es gibt Hinweise auf morphologische Ähnlichkeit, aber morphologische Ähnlichkeit impliziert nicht unbedingt biochemische Ähnlichkeit.
Wenn also das Leben bereits die Fähigkeit hatte, Eisen zu nutzen, warum haben Lebensformen diesen Sauerstoff nicht früher freigesetzt?
@JohnJoe Dies wird im Wikipedia-Artikel zum großen Oxygenierungsereignis diskutiert: en.wikipedia.org/wiki/Great_Oxygenation_Event#Time_lag_theory - es wäre veröffentlicht worden, konnte sich aber noch nicht aufbauen.
@JohnJoe Wenn Sie eine separate Frage stellen müssen, würde ich sie als solche posten und nicht in die Kommentare einfügen. Die obige Antwort beantwortet vollständig, was Sie tatsächlich im Text Ihrer Frage gestellt haben (obwohl Ihr Titel und Ihr Fragentext unterschiedliche Fragen enthalten).
Ich denke, dann ergibt das alles Sinn. Ich war nur überrascht, dass stärker entwickelte Bakterien so früh auftauchten, im Gegensatz zu dem, was ich dachte, andere Quellen hätten es vorgeschlagen, aber danke fürs Teilen.

Zusammenfassung

Es wurde vermutet, dass Eisen für das erste Leben auf der Erde tatsächlich wichtig war, insbesondere in Kombination mit Schwefel. Dies liegt daran, dass in vulkanischen Hydrothermalquellen vermutlich Bedingungen bestanden haben, die die Bildung von Eisen-Schwefel-Komplexen ermöglicht hätten, die in modernen Proteinen Oxido-Reduktionsreaktionen (sowie komplexere Funktionen) durchführen. Ein System zur Oxidoreduktion chemischer Verbindungen ist für die Entwicklung von Leben erforderlich, und die anorganische Einfachheit von Fe-S-Clustern zusammen mit ihrer Fähigkeit, mit dem Rückgrat von Proteinen zu interagieren, spricht eher für ihre frühe Beteiligung als für die chemisch aufwändigere NAD und FAD.

Die archaische Umwelt

Eine Theorie besagt, dass das Leben unter vulkanischen hydrothermalen Bedingungen entstand, in denen die Oxidation von Eisenmineralien durch Schwefelwasserstoff möglich gewesen wäre. Es wurde sogar vorgeschlagen, dass das Leben auf der Oberfläche von Eisensulfiden entstand (die „Eisen-Schwefel-Welt-Hypothese“ ), obwohl diese Antwort in ihrem Umfang bescheidener ist.

Eisen-Schwefel-Metallocluster

Moderne Proteine ​​enthalten eine Reihe von Eisen-Schwefel-Clustern unterschiedlicher Komplexität, aber in einer Übersichtsarbeit in Science von Rees und Howard wurde argumentiert , dass sich der einfachste davon – der 2Fe:2S-Cluster in z. B. Ferredoxin – unter diesen Bedingungen entwickelt haben könnte oben erwähnt.

FeS-Cluster

[Verschiedene FeS-Cluster. Beachten Sie, dass die äußeren gelben Schwefelatome von Cystein-Seitenketten des Proteins stammen. (Adaptiert aus einer Übersicht von Johnson et al. (2005) )]

Wechselwirkung von Eisen-Schwefel-Clustern mit Proteinen

In einigen eisenhaltigen Proteinen, wie Cytochrom c , wird das Eisen durch ein ausgeklügeltes organisches Molekül (Häm) an Ort und Stelle gehalten und interagiert mit Aminosäureseitenketten. In einfachen Eisen-Schwefel-Clustern kann es jedoch zu Wechselwirkungen mit den NH-Gruppen des Proteinrückgrats (in speziellen Konformationen — „Nester“ und „Kronen“ ) kommen. Daher könnten sie ursprünglich von einfacheren Proteinen erworben worden sein, von denen einige glauben, dass sie der Entwicklung derer mit den Seitenketten vorangegangen sind, um eine anspruchsvollere Wechselwirkung bereitzustellen.

Wechselwirkung von FeS mit dem Proteinrückgrat

[Wechselwirkung von FeS-Clustern mit NH-Gruppen des Proteinrückgrats (blau): A. 'Nest' , B. 'Krone' mit den N-Atomen im raumfüllenden Modus.]

Andere zeitgenössische Redox-Cofaktoren

Der intellektuelle Reiz der Fe-S-Cofaktoren als die evolutionär ältesten wird deutlich, wenn man sie mit den Strukturen anderer zeitgenössischer Redox-Cofaktoren vergleicht (Bilder von Berg et al. ):

NAD und FAD

Es wurde argumentiert, dass die Adenin- und Riboseeinheiten dieser Cofaktoren einen uralten Ursprung belegen – in der angeblichen RNA-Welt – eine Vorstellung, die ich persönlich ansprechend finde. Dennoch würde ihre Entstehung einen Mechanismus für die Synthese ihrer funktionellen organischen Komponenten – Nicotinamid bzw. Flavin – erfordern. Im Gegensatz dazu werden Fe-S-Cluster „fertig“ geliefert.

Komplexere Eisen-Schwefel-Cluster

Eisen-Schwefel-Cluster werden auch im Nitrogenase-Protein gefunden , das Stickstoffgas in Ammoniak umwandelt. Dies muss ein sehr altes Protein sein, aber seine größere Komplexität (der Cluster enthält Molybdän) deutet darauf hin, dass es später entstanden sein könnte. Eine weitere Ausarbeitung sind Proteine ​​wie Aconitase , die Fe-S-Cluster aufweisen, die durch komplexere organische Gruppen verbunden sind.

Komplexere Fe-Proteine

[Eisenhaltige Proteine ​​größerer Komplexität. Häm, die schwefelfreie prosthetische Gruppe von Cytochromen etc. ist ebenfalls gezeigt. Adaptiert von Berg et al. ]

Eisen in der Photosynthese

Wie von @Kurt erwähnt, ist Eisen ein Bestandteil des Photosystems II in heutigen Cyanobakterien. Das Photosystem II ist jedoch äußerst komplex, und die genaue chemische Grundlage des Nicht-Häm-Eisenbedarfs ist derzeit unklar. Obwohl vielleicht notwendig, wenn die cyanobakterielle Photosynthese für die große Sauerstoffversorgung verantwortlich wäre, würde diese Komplexität auf ein relativ spätes Auftreten in der prä-aeroben Ära hindeuten.

Ich habe meine Antwort erweitert, die jetzt im Wesentlichen vollständig ist, es sei denn, jemand benötigt Einzelheiten zu den angesprochenen Stoffwechselwegen, die ich gerne zur Verfügung stellen werde.
Ich denke, wenn dies mit der ersten Antwort hybridisiert worden wäre, hätte es beide besser gemacht, denn die erste Antwort zeigte, dass die gleiche Prämisse der Zellatmung viel früher stattfand als gedacht, mit direkten physikalischen Beweisen, die Eisen und seine Rolle erklären, aber ohne viel Theorie. während Sie sich hauptsächlich auf eine Vermutung einer bestimmten Verbindung und nicht so sehr auf direkte Beweise verlassen. Sie "können" mit Hintergrundproteinen interagieren, aber waren sie deshalb wirklich notwendig? Gab es damals tatsächlich eine Mutation, die dazu führte, dass Mikroben ein modernes Organell oder einen Metaboliten aus dieser Verbindung einbauten?
Jede Aussage über den Stoffwechsel in der frühen Evolution beruht eher auf Schlussfolgerungen als auf physikalischen Beweisen. Das Argument von @Kurt könnte wie folgt umformuliert werden: Zeitgenössische Cyanobakterien benötigen Eisen (für PSII); es wird angenommen, dass sie die große Sauerstoffzufuhr verursacht haben; daher muss Eisen im Stoffwechsel vor dem aeroben Leben verwendet worden sein. Das Argument geht davon aus, dass die Photosynthese in alten Cyanobakterien die gleiche war wie heute. Sein Foto ist nur ein Beweis für die Existenz von Cyanobakterien noch früher, aber wenn sie das aktuelle PSII hätten, wären sie immer noch viel aufwändiger als alles im „ersten Leben auf der Erde“.
Wie ich schon sagte, wenn es eine Möglichkeit gäbe, beide Antworten zu kombinieren, wäre ich dafür offen, aber es ist keine bloße Spekulation, ob wir tatsächlich die Abdrücke der Struktur von Mikroorganismen sehen können. Es geht von der gleichen Photosynthese aus, aber es geht davon aus, dass, weil es konsistente materielle Beweise dafür gibt, während Ihr Argument lautet: "Nun, diese Verbindung könnte beteiligt gewesen sein, weil sie interagiert haben könnte ..." und deshalb wird es als "Hypothese" bezeichnet ."
War Eisen wichtig für das erste Leben auf der Erde?
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