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.