Prebiyotik Ortamda Nükleotidlerin ve RNA'nın Oluşumu

RNA'ların Biyokimyası

Virüslerde dahil tüm canlı organizmalarda RNA yapıları görev almaktadır. Ribonükleik asit veya RNA, bir nükleik asittir ve nükleotitlerden oluşan bir polimerdir. Her nükleotit bir azotlu baz, bir riboz şeker ve bir fosfat molekülünden oluşur. RNA pekçok önemli biyolojik rol oynar, bunların arasında DNA'da taşınan genetik bilginin proteine çevirisi (translasyon) ile ilişkili çeşitli süreçlerde de yer alır. Günümüzde canlıların yapısında görev alan 3 çeşit RNA yapısı bilinmektedir. RNA tiplerinden olan mRNA (mesajcı RNA), DNA'daki bilgiyi protein sentez yeri olan ribozomlara taşır, rRNA (ribozomal RNA) ribozomun en önemli kısımlarını oluşturur, tRNA (taşıyıcı RNA) ise protein sentezinde kullanılmak üzere kullanılacak aminoasitlerin taşınmasında görevlidir.



Ayrıca çeşitli RNA primer tipleri de DNA'daki genlerin tamirinde ve yapımında görev alırlar. RNA molekülleri, DNA'ya yapısal olarak çok benzemekle birlikte yapılarında ki ayrıntılarından dolayı farklılık gösterir. Bu farklılık şu şekildedir, RNA nükleotitleri yapısında riboz şekeri içerirler, DNA nükleotidlerinde ise deoksiriboz (bir oksijeni atomu eksik olan bir riboz türü) şekeri vardır. DNA'da bulunan timin nükleobazı yerine RNA'da urasil nükleobazı vardır. Hücre içinde RNA yapıları tek zincirli, DNA ise çift zincirlidir. Günümüzde tüm canlılarda RNA çeşitlerinin tamamı DNA'dan RNA polimeraz enzimi tarafından sentezlenirler. RNA yapıları, RNA polimeraz enziminin DNA'yı okuması (transkripsiyonu) ile sentezlenir ve ardından başka enzimler tarafından işlenerek değişime uğrar. RNA'daki her nükleotit bir riboz şekeri içerir, bunun karbonları 1' ila 5' olarak numaralandırılır. 1' konumuna bir baz bağlıdır, genelde adenin (A), sitozin (C), guanin (G) veya urasil (U). İki D-riboz arasında bir fosfat grubu vardır, bu fosfat bir D-ribozun 3' konumuna, öbür D-ribozun ise 5' konumuna bağlıdır. Fizyolojik pH'de fosfat grubu negatif bir yük taşıdığı için RNA yüklü bir moleküldür (polianyon). Bazı bazlar arasında hidrojen bağları oluşabilir: sitozin ve guanin, adenin ve urasil ve bazen guanin ve urasil arasında bu tür bağlar oluşur. Ancak, RNA zinciri çeşitli şekiller alabildiği için bunlardan başka baz-baz etkileşimleri de mümkündür, örneğin bir grup adenin birbiriyle bağlanarak RNA zincirinde bir tümsek oluşturabilir.



Prebiyotik Ortamda Nükleobazların Oluşumu

Günümüzden yaklaşık olarak 4 ile 4,2 milyar yıl önce Dünyanın ilkel dönemlerinde şartlar günümüze göre çok daha ağırdı. İlkel atmosfer koşulları oldukça sert, atmosferdaki gazlar çok daha yoğun olduğundan günümüze göre çok daha kalındı. Dolayısıylada basınç yüzeye inildikçe günümüzdekine göre çok daha fazlaydı. Sıcaklık 80 °C dolaylarındaydı. Serbest halde oksijen gazlarının bulunmadığı için ozon tabakası da bulunmuyordu. İlkel atmosfer şartlarındaki gazlar, güneşten gelen UV ışık ve basınç altında ayrışarak yada birleşerek hidrojen siyanid (HCN), siyanoasetilen (HC3N), üre, formaldehid (HCHO) ve formamid (NH2CHO) gibi canlılar için oldukça zararlı kimyasal moleküllere dönüştürüyordu. Atmosferdeki yoğun su buharı basıncın etkisyle üst katmanlarda yoğunlaşarak sıvı hale dönüşüp yağmur olarak dünyaya yağıyordu. Bu yağmurla birlikte atmosferde öneceden oluşmuş bu zehirli kimyasal moleküllerde yağıyordu. Yağmurun etkisiyle oluşan ilk göl ve denizler yüzeyde aluminyum silikat yapılarını bugün kil dediğimiz yapılara dönüştürdü. Ayrıca UV ışıklarının etkisiyle su buharı, havadaki karbondioksit ile birleşerek karbonik asidine (H2CO3), kükürt dioksit gazı birleşerek sülürüik asidine (H2SO4), klor gazıyla birleşerek hidroklorik asidine (HCl) dönüşüyor ve yağmur suyuyla birlikte yeryüzüne yağıyordu. Bunun sonucunda denizlerdeki Na, Mg ve Ca iyonlarıyla bu asitler birleşerek NaCl, CaCO3 gibi tuzları meydana getirdi.



Joan Oró ismindeki bilim adamı 1961 yılında 150 °C'lik bir sıcaklığa sahip su çözeltisi içinde Hidrojen Siyanid ve amonyak kullanarak yaptığı deneyde toplam 40 dakika gibi kısa bir süre sonunda Adenin Xanthine Guanin gibi nükleobazlarını elde etmiştir. Ayrıca Oró, bu deneyinde glisin gibi amino asitleride üretebilmiştir. Nükleobazların kimyasal olarak elde edilişini gösteren figür aşağıda gösterilmiştir.



1966 yılında Karen R. Sanchez, James Ferris ve Leslie Orgel laboratuvar koşullarında 150 °C sıcaklığında su çözeltisi içersinde siyanoasetilen (HC3N) ve üre gibi organik maddeleri kullanarak sitozin ve urasil gibi nükleobazları elde etmişlerdir. Bu nükleobazların kimyasal olarak elde edilişini gösteren figür aşağıda gösterilmiştir.



Ayrıca son yıllarda yapılan araştırmalarda çeşitli katalizör ve formamid molekülü ile onlarca çeşit yöntemle de nükleobazlar elde edilmiştir. Bu yöntemlerden en ünlüsünü 2007 yılında İtalyan bilim adamı Raffaele Saladino başkanlığındaki ekip yapmıştır. Saladino ve ekibi, borate minerallerinin katalizörlüğünde sadece formamid molekülü ile 140 °C gibi yüksek sıcaklıkta 48 saat sonunda tüm nükleobazları elde edilmiştir. Ayrıca ekip alanin, glisin, serin ve aspartik asit gibi amino asitleri de üretmişti. Bu oluşumları anlatan figür aşağıda gösterilmiştir.



Prebiyotik Ortamda Nükleotidlerin ve RNA'nın Oluşumu

Daha önceki konularımızda siz değerli okurlarımıza Ferris ve Orgel deneylerinden bahsetmiştik. James Ferrisin yaptığı deneyde UV ışık altında montmorillonit kilinin ışık görmeyen tarafında yapışık halde bol miktarda nükleotid ve RNA molekülleri oluştuğunu anlatmıştık. (Bakınız: Ferris ve Orgel Deneyleri) Ancak son zamanlarda İtalyan bilim adamı Raffaele Saladino başkanlığındaki ekip 2010 yılında HidroksiBakır Fosfat (Cu5PO4OH) minerallerinin katalizörlüğünde çeşitli ph değerinde ve sıcaklıklarda 30 ile 60 arası nükleotitden oluşmuş büyük RNA polimerleri elde etmişlerdir. Oluşum aşamasını anlatan figür aşağıda gösterilmiştir. PNA (peptit nükleik asit) ismini verdikleri bu moleküller Ribozim Polimeraz (Ribo Nükleik Asit Enzim) özellikleri gösterdikleri için kendi kendileri çoğatabilmektedir. Bu moleküller aynı zamanda yapay nükleik asit (XNA) grubu içersindedir. Bu sentetik moleküllerle yakın bir gelecekte evrim geçirebilen yapay canlılar üretilmesi hedeflenmektedir.





Yaşamın Kökeni

Kaynakça:

1. Oró J., S.S. Kamat (1961) Amino acid synthesis from hydrogen cyanideunder possible primitive Earth conditions. Nature 190:442-443
2. Oró J., A.P. Kimball (1961) Synthesis of purines under possible primitive Earth conditions. I. Adenine from hydrogen cyanide. Arch. Biochem.Biophys 94:217-227
3. Oró J. (1961). Mechanism of synthesis of adenine from hydrogen cyanide under possible primitive Earth conditions. Nature 191:1193-1194
4. Oró J., A.P. Kimball (1962). Synthesis of purines under possible primitive Earth conditions, II. Purine intermediates from hydrogen cyanide. Arch.Biochem. Biophys. 96:293-313
5. Sanchez, R., J. Ferris and L. Orgel. (1966) Cyanoacetylene in prebiotic synthesis.Science 154:784–5, 1966.59.
6. Ferris, J., R. Sanchez and L. Orgel. (1968) Studies in prebiotic synthesis. III.Synthesis of pyrimidines from cyanoacetylene and cyanate. Journal ofMolecular Biology, 33:693–704, 1968.
7. Saladino R, Crestini C, Ciciriello F, Costanzo G, Di Mauro E. (2007) Borate Minerals, Formamide chemistry and the origin of informational polymers. Chem Biodiv2007;4:694–720.
8. Saladino R, Crestini C, Ciciriello F, Costanzo G, Di Mauro E. (2010) Phosphate Minerals, Formamide chemistry and the origin of informational RNA polymers. Chem Biodiv2010;4:530–680.

Recep Baltaş dedi:

Günümüzden yaklaşık olarak 4 ile 4,2 milyar yıl önce Dünyanın ilkel dönemlerinde şartlar günümüze göre çok daha ağırdı. İlkel atmosfer koşulları oldukça sert, atmosferdaki gazlar çok daha yoğun olduğundan günümüze göre çok daha kalındı. Dolayısıylada basınç yüzeye inildikçe günümüzdekine göre çok daha fazlaydı. Sıcaklık 80 °C dolaylarındaydı. Serbest halde oksijen gazlarının bulunmadığı için ozon tabakası da bulunmuyordu. İlkel atmosfer şartlarındaki gazlar, güneşten gelen UV ışık ve basınç altında ayrışarak yada birleşerek hidrojen siyanid (HCN), siyanoasetilen (HC3N), üre, formaldehid (HCHO) ve formamid (NH2CHO) gibi canlılar için oldukça zararlı kimyasal moleküllere dönüştürüyordu. Atmosferdeki yoğun su buharı basıncın etkisyle üst katmanlarda yoğunlaşarak sıvı hale dönüşüp yağmur olarak dünyaya yağıyordu. Bu yağmurla birlikte atmosferde öneceden oluşmuş bu zehirli kimyasal moleküllerde yağıyordu. Yağmurun etkisiyle oluşan ilk göl ve denizler yüzeyde aluminyum silikat yapılarını bugün kil dediğimiz yapılara dönüştürdü. Ayrıca UV ışıklarının etkisiyle su buharı, havadaki karbondioksit ile birleşerek karbonik asidine (H2CO3), kükürt dioksit gazı birleşerek sülürüik asidine (H2SO4), klor gazıyla birleşerek hidroklorik asidine (HCl) dönüşüyor ve yağmur suyuyla birlikte yeryüzüne yağıyordu. Bunun sonucunda denizlerdeki Na, Mg ve Ca iyonlarıyla bu asitler birleşerek NaCl, CaCO3 gibi tuzları meydana getirdi.

Genişletmek için tıkla...

Sayısı 2 ila 5 milyon arasında değişen keseceklerin ürettiği sıvı (yani ter), 36.5-37 santigrad derecede buharlaşarak vücut sıcaklığının düşürülmesini sağlar.

80 santigrad derecedeki ortam sıcaklığında atmosferdeki basıncın etkisi ile oluşan sıvı, daha yeryüzüne iniş yapmadan buharlaşacaktır.

Bu ortam sıcaklığında, yoğun yağmurlarda dahi göl ve sonrası olan denizlerin oluşma ihtimali?

Bilim, dünyanın 4.2 milyar yaşında olduğunu söylüyor. Dünya oluşumu sırasında tamamen katı halde miydi? Eğer katı haldeyse çekirdek nasıl oluştu? Tamamen eriyik olduğunu düşünürsek, 4.2 milyar yaşındaki bir gezegenin, ilk oluşumu sırasında 80 santigrad derece olduğunu söylemek ne kadar mantıklıdır?

Diğer senaryoda denizlerin, milyonlarca yıl boyunca yeryüzüne çarpan ve bünyelerinde su taşıyan meteorlar tarafından oluştuğu söyleniyor. O zaman atmosfer varmıydı? Eğer varsa; saniyede yüzlerce kilometre hızla hareket eden meteorlar yeryüzüne iniş yaparken, sürtünmeden kaynaklanan yüksek ısı ve çarpmadan dolayı ortaya çıkacak büyük bir enerjinin içinde, o minik su damlacıklarını nasıl sağlam tutabildi? Eğer atmosfer yoksa, sürtünme de olmayacağı için hızı kesilmeyen meteorların çarpma şiddeti daha da artacaktır.

Dünyaya su getirdiği tahmin edilen meteorların, güneş sisteminde hiç bir gezegene dokunmadan direkt olarak dünyaya ulaşma ihtimali? Eğer bu teori doğruysa, en azından Ay'da su bulunması gerekmez miydi?

Aslına bakarsan, o terleme eylemi senin vücut ısını ve kalp ritmini belli bir sayıda tutmak için tasarlanmış olmalı. Ayrıca bu açıklamalar "ivedi" bir seri açıklama içeriyor muhtemelen.

80 santigrat derecedeki ortam sıcaklığındaki atmosfer basıncı konusunda deneyimiz yok ama fikir yürütmemize engel değil. Deney yaparak öğreniyoruz. Ha ama atmosfer basıncı yüzeye yaklaştıkça arttığına göre, basınç / buharlaşma ters orantılı değil miydi yoksa ben mi yamuluyorum feci.

O ortam sıcaklığını sürekli koruyamayız, entropi denen sinir bozucu bir olay var. (Entropy - Wikipedia, the free encyclopedia) Her şey "bir anda" olacak diye bir durum söz konusu değil.

Bilimin söylediği süreler 4.4 milyar'a kadar çıkıyor, ama o milyar ile milyon arasındaki üç sıfırı atarsak - biraz soğur ortam, mesela uzay oldukça soğuk, şahsen buzdolabı kullanmak zor olmaz diye hayal kurabilirim. Katı haldeyse çekirdek küçük bir miktarını açıklamayı başardığımız ve şaşırarak yeni şeyler öğrendiğimiz "çekim" kanunları sebebyile oluşmuş olabilir, yoksa biri gelip yarattıysa bizi yaratmaya ihtiyacı olması kötü, öncelikle psikolog sonra psikiatr yaratması tüm işlemi hızlandırırdı. O zaman önce bu gezegen oluştu sonra basınç atmosfer falan gelmeli.

Diğer başka bir senaryonun Hollywood vari açıklaması için ise Prometheus'a bakmalı (Prometheus (2012) - IMDb)

Atmosfer yoksa, ben daha çok bu moleküller neye göre karar verdi - kısmına takılırım, daha çok kız var burada.

Meteor'ların boyut ve yapıları, çeşitli atmosfer yapıları, yaklaşma açıları (hiç mi suda taş kaydırmadın yapma yahu) durumlarında gezegen yüzeylerine ulaşma ihtimallerini değiştiriyor. 100.000.000'de bir ihtimal (ki bu ihtimaller 10.000'de bir oluşur ) bir tanesi damlayabilir, mesela şimdi bir tanesi damlasa en çok hangi teknolojik yapıya sahip millet ayakta kalır? Konserve teknolojisi! Hah!

Dünyaya X getirmediği veya getirdiği tahmin edilen meteorları izlemek için son 20 yıldır bir çabamız var, önceki folk hikayelerini inceliyoruz ve şimdi buluyoruz yörüngelerini, dinamik yörünge hesaplamasıyla motorsuz uçak indirmek arasında seçim yapacaksam motorsuz uçağı tercih ederim. Hatta 2011'de miydi daha öncesi mi emin değilim, deneme yapıp ağızlarına yüzlerine bulaştırmışlardı bir "anti meteor lazer ışını"nı ama o kadar alkollüyüm ki google ile araştıramıyorum.

Haluk Sekendiz dedi:

Sayısı 2 ila 5 milyon arasında değişen keseceklerin ürettiği sıvı (yani ter), 36.5-37 santigrad derecede buharlaşarak vücut sıcaklığının düşürülmesini sağlar.

80 santigrad derecedeki ortam sıcaklığında atmosferdeki basıncın etkisi ile oluşan sıvı, daha yeryüzüne iniş yapmadan buharlaşacaktır.

Bu ortam sıcaklığında, yoğun yağmurlarda dahi göl ve sonrası olan denizlerin oluşma ihtimali?

Bilim, dünyanın 4.2 milyar yaşında olduğunu söylüyor. Dünya oluşumu sırasında tamamen katı halde miydi? Eğer katı haldeyse çekirdek nasıl oluştu? Tamamen eriyik olduğunu düşünürsek, 4.2 milyar yaşındaki bir gezegenin, ilk oluşumu sırasında 80 santigrad derece olduğunu söylemek ne kadar mantıklıdır?

Diğer senaryoda denizlerin, milyonlarca yıl boyunca yeryüzüne çarpan ve bünyelerinde su taşıyan meteorlar tarafından oluştuğu söyleniyor. O zaman atmosfer varmıydı? Eğer varsa; saniyede yüzlerce kilometre hızla hareket eden meteorlar yeryüzüne iniş yaparken, sürtünmeden kaynaklanan yüksek ısı ve çarpmadan dolayı ortaya çıkacak büyük bir enerjinin içinde, o minik su damlacıklarını nasıl sağlam tutabildi? Eğer atmosfer yoksa, sürtünme de olmayacağı için hızı kesilmeyen meteorların çarpma şiddeti daha da artacaktır.

Dünyaya su getirdiği tahmin edilen meteorların, güneş sisteminde hiç bir gezegene dokunmadan direkt olarak dünyaya ulaşma ihtimali? Eğer bu teori doğruysa, en azından Ay'da su bulunması gerekmez miydi?

Genişletmek için tıkla...

Haluk bey bu konulara ilginiz var gözüküyor fakat bilgileriniz çok eksik ve çok taraf tutan bir şekilde bir şeyler yazıyorsunuz.
Cevaplar:
Yüksek basınç ve sıvı suyun içindeki mineraller suyun kaynama derecesini 100 ünde üstüne çıkarır ki bilgi de 80 yazıyor bu daha da düşük bir sıcaklık, yani sizin itirazınız yanlış, su kaynasa bile yer çekimi yüzünden dünyayı terk edemeyecektir ve eninde sonunda yere düşecektir.
Bilim dünyanın yaşı için en az 4.6 Milyar diyor, ve dünya 3.8 Milyar yıl önce katı haldeydi, çekirdek ise daha dünya toz ve gaz bulutu iken merkezde toplanan ağır elementler yüzünden çekirdek var, orada yazan 4.2 Milyar dünyanın yaşı değil sadece dünyanın oluşmasından sonra ki ortam koşulları yani soğuma tamamlanmak üzere.
Evet o zamanda atmosfer vardı herhalde yazıyı okumadınız, verilen bilgide atmosferin olduğu hemde atmosferin bu zamandan daha yoğun olduğu yazıyor, dünyadaki su ise dünyaya giren meteor ve benzeri şeylerin içinde bulunur ve bu meteor parçalanmak zorunda değildir parçalansa bile çoktan dünyanın çekim alanına girmiştir içindeki su buhar olursa bile tekrar yoğunlaşabilir.
Meteorlar gibi cisimlerde gaz ve toz bulutları(Demir, Lityum Vb.) sayesinde birleşip oluşur ve bunun dünyaya çarpmama gibi bir ihtimali yoktur, çarpışmalar ve kütle çekimleri her şeyi her yere gönderebilir ayrıca diğer yerlere baktınız mı da dünyaya özel olarak su getirilmiş diyorsunuz? Ay`da belirli yerlerde su bulunuyor, daha fazla bulunmamasının nedeni Ay`ın kütle çekimi yüzünden suyun uzaklaşmış olması.