Hallo, mijn naam is Chris Butch
en ik ben een onderzoeker
in het Blue Marble Space Institute
of Science
Het Earth Life Science Institute,
aan de Emery Universiteit.
En vandaag ga ik spreken over de rol
van fosfaat in de biochemie,
en over de vragen in verband met
fosfaat in de oorsprong van het leven.
Wat is er nu zo speciaal aan fosfaat?
Om die vraag te beantwoorden,
moeten we een beetje gaan praten
over de rol van fosfaat in de biologie.
En het lijkt erop dat fosfaat
gebruikt wordt in de biologie
op verschillende manieren.
Er zijn structurele elementen
aan de chemie ervan,
er zijn fysische en chemische elementen,
en er zijn gewone, reactieve, chemische
elementen.
Hier gaan we doorheen,
en we gaan ook praten over
hoe dit een probleem stelt in de chemie
van de oorsprong van het leven.
De eerste van de rollen van fosfaat
en misschien de belangrijkste,
is de structurele rol die fosfaat inneemt
in de ruggengraat van nucleïnezuur.
Al de RNA en DNA,
al je genetische materiaal
is verbonden door,
wat bekend staat als
een fosfodi-esterbinding.
De reden hiervoor ligt in
enkele eigenschappen van fosfaat,
die te maken heeft
met de negatieve lading
dat het overbrengt op deze ruggengraat.
De eerste van deze eigenschappen,
is dat deze negatieve lading
een afstoting uitoefent op
negatief geladen nucleofielen.
Moleculen die kunnen reageren met
en deze fosfodi-esterbinding
kunnen breken.
Daarom is deze fosfodi-esterbinding
zeer stabiel in fysiologische condities,
RNA bindingen kunnen maanden of
jaren blijven bestaan.
DNA bindingen kunnen honderden
jaren blijven bestaan,
in neutrale omstandigheden.
Het tweede belangrijke element,
is dat, door de negatieve lading,
het eigenlijk betekent dat de reactiviteit
uitwisselbaar is.
Dus, als het moet reageren,
en deze fosfodi-esterbinding breekt,
al wat biochemie dan moet doen is
het te plaatsen naast
een positief geladen element,
dikwijls is een positief geladen
metaalatoom.
En dan wordt de afstoting verminderd
waardoor de nucleofiel kan aanvallen,
en de binding breken
zoals ik hier heb getoond.
Dit is ook hoe nucleïnezuur
wordt gesynthetiseerd.
Het binnenkomende nucleïnezuur
wordt naast een metaalcenter geplaatst,
wat het nucleïnezuur polymeer
toestaat ermee te reageren
en langer te worden,
en zo het geheel sterker te maken.
Wanneer de strengen gevormd zijn
speelt deze negatieve lading ook
een belangrijke rol in de structuur
van onze voornaamste DNA-duplexen.
Het blijkt dat op elke ruggengraat
er twee strengen samenkomen.
De naast elkaar liggende fosfaten
stoten elkaar af,
wat ervoor zorgt dat de duplex
meer in lijn ligt.
En de fosfaten die tegenover
elkaar liggen stoten elkaar af.
En deze gecombineerde afstotingen
zijn belangrijk in
het oplosbaar houden
van de nucleïnezuurstrengen.
En ze weerhouden de strengen ervan
op zichzelf in te storten,
op een manier dat ze zeer moeilijk
hanteerbaar zijn.
Dus door deze afstotende ladingen
wordt de lineariteit van deze moleculen
bewaard,
waardoor ze gemakkelijker
te behandelen zijn.
De tweede structurele rol
van fosfaatbiologie is
in fosfolipide bilagen.
De belangrijke eigenschappen daarvan
zijn momenteel,
dat ze een vettige hydrofobe portie hebben
die typisch alkanen zijn (???)
En ze hebben ook een hydrofiele portie
die een fosfaat bevat
en een normaalgezien
positief geladen element.
Vanwege deze scheiding
van hydrofiel en hydrofoob gedrag,
hebben deze fosfolipiden de neiging
tweedimensionale structuren te vormen
die het buiten celmembraan.
Ze gaan in een lijn liggen,
met het geladen deel blootgesteld
naar ofwel het externe of interne
watergedeelte van de cel
of het extracellulaire membraan
of extracellulaire matrix.
En dan komt het binnengedeelte samen
en vormt een vettige middenlaag.
Als we een beetje uitzoomen,
zien we hier in plaats van
de chemische weergave,
het hydrofiele deel is weergegeven
als een sfeer,
en het hydrofobe gedeelte als
lijnen, of staarten.
Dit vormt sferische inkapselingen
die uiteindelijk de buitenste wand,
de buitendefensie van gelijk welke cel
kunnen zijn.
Naast het vormen van deze structuren,
is een belangrijke eigenschap
deze fysische opsplitsing
die ze toestaan.
Dus door deze geladen barrière,
kan de biochemie bepalen
wat in en uit een cel gaat.
Bijvoorbeeld door fosforylering
van gelijk welke molecule.
Eens je daar een negatieve lading op hebt
en je membraan heeft
deze negatief geladen fosfaatlaag
dan stoten deze negatieve ladingen
elkaar af.
Dit betekent dat moleculen
die waarschijnlijk niet
door de geladen laag zullen verplaatsen
naar de binnenkant van
deze fosfolipide bilaag.
En het vermindert de oplosbaarheid
in het binnenste van het alkaangedeelte
van de bilaag,
wat betekent dat,
zelfs al geraakt het door
de geladen buitenkant,
het waarschijnlijk het membraan
niet kan verlaten.
Ongeladen soorten kunnen daarentegen
kunnen wel door de laag heen.
Dit is dus een manier
om transport te vergemakkelijken
in en uit de cel,
op een selectieve manier.
Een voorbeeld hiervan in
glycolyse en gluconeogenese,
is de reactie om twee, drie
koolstofverbindingen te vormen,
om een zes-koolstofverbinding te vormen,
of het omgekeerde,
het afbreken van
deze zes-koolstofverbinding.