Tetrapyrrolen – Biokatalysatoren van het eerste uur?

Samenvatting: Modellen voor het ontstaan van het leven moeten o.a. de vraag naar de oorsprong van enzymen plausibel beantwoorden. Proteïnen, die door hun structuur geschikt zijn om biochemische reacties te katalyseren, moeten daarbij vroeg of laat beschikbaar zijn. Moderne laboratoriumtechnieken maken de synthese mogelijk van proteïne-bibliotheken met een onafzienbare verscheidenheid aan proteïnen, die in hun aminozuurvolgorde verschillen. Welke aanwijzingen leveren de huidige inzichten voor een mogelijk ontstaan van de eerste functionele eiwitten?

De belangrijkheid van tetrapyrrole-macrocyclische verbindingen

Als gevolg van hun frequent voorkomen in verschillende biochemische functionele eenheden, hun opvallende geometrie en hun fascinerende chemische en fysische eigenschappen zijn tetrapyrrolen sinds lang het onderwerp van intensief onderzoek. De bekendste voorbeelden hiervan zijn de opheldering van de structuur van het groene bladpigment chlorofyl (Willstätter & Fischer 1913) en van het “rode bloedpigment” hemoglobine (Fischer & Zeile 1929). Tetrapyrrolen zijn platte (vlakke), ringvormige moleculen die bestaan uit vier dezelfde subeenheden. Tot de meest in de natuur voorkomende macrocyclische verbindingen behoren porfine, chlorine en corrine (fig. 1)

Als gevolg van hun stabiliteit komen deze verbindingen in grote hoeveelheden voor in sedimenten, steenkool en aardolie (Schaeffer et al. 1993). Hun ringvormige structuur maakt het mogelijk om bepaalde metaalionen te binden (Fig. 1), die een straal van 60-70 pm bezitten (zoals Mg2+ in chlorofyl of Co2+ in vitamine B12). Grotere metaalionen zoals Pb2+ (lood) passen niet in het centrum van deze cyclische verbindingen, terwijl te kleine ionen als Be2+ (beryllium) of Al3+ (aluminium) niet vast gebonden worden.

Verbindingen van tetrapyrrolen met metaalionen staan bekend als “complexen” en spelen bij talrijke fysiologische processen in organismen een centrale rol. Voor het proces van fotosynthese is chlorofyl (Mg2+-porfyrine-complex) essentieel als onderdeel van het systeem om lichtenergie op te slaan. Het zuurstoftransport in het bloed van veel levende wezens gebeurt via het enzym hemoglobine, waarvan het centrum met een Fe2+-porfyrine-complex, als bindingsplaats voor moleculaire zuurstof functioneert. Andere belangrijke functies van metaal-tetrapyrrool-complexen zijn deelname aan ontgiftingsprocessen in de lever (monooxygenasen) en het elektronentransport in de luchtwegen (Q-cytochroom-c-oxidoreductase en cytochroom-c-oxidase).

Het voorkomen van porfynoïde Ni2+-complexen bij archaebacteriën wordt beschouwd als indicatie dat deze verbindingen bij verondersteld stapsgewijs ontstaan van het leven, reeds in een vroeg stadium een belangrijke rol gespeeld zouden kunnen hebben (Eschenmoser 1988). De weg naar het ontstaan van tetrapyrrolen was echter lange tijd onduidelijk. In de afgelopen jaren heeft de onderzoeksgroep van Lindsey hypothesen opgesteld voor het prebiotisch ontstaan van deze verbindingen, op basis van empirische studies (Lindsey et al. 2009, Lindsey et al. 2011).

Analyse van de plausibiliteit van het model voor de biogenese van tetrapyrrole-macrocyclische verbindingen

Alleen al de gerichte laboratoriumsynthese van porfyrine (fig, 1) was tot voor kort nog een aanzienlijke uitdaging. In 1959 is een synthese van porfyrine met een opbrengst van slechts 5% beschreven in de Journal of Organic Chemistry (Krol 1959). Waarschijnlijk werd daarom experimenteel werk gericht op hypothesen over het prebiotische ontstaan van deze verbindingen, lange tijd als weinig aantrekkelijk beschouwd. Pas in 2007 lukte het de werkgroep van Lindsey, om het magnesiumcomplex (Mg2+) van porfyrine in een opbrengst van 30% te synthetiseren (Lindsey 2007). Dit was echter een pure laboratoriumsynthese, die ongeschikt is voor een discussie over potentiële prebiotische processen. De eerste poging om een ontstaan van tetrapyrrool-verbindingen onder als prebiotisch geschetste omstandigheden te simuleren, werd door Mauzerall uitgevoerd (Mauzerall 1960). Bij dit experiment werd echter een organische verbinding (Porphobilinogen PBG) gebruikt, waarvan een abiogenetische oorsprong bepaald niet als een gegeven kan worden beschouwd. Bovendien werd slechts een voorloper (Uroporphyrinogen III, Fig. 3) verkregen van de fysiologisch relevante macrocyclische verbindingen porfyrine, chlorine en corrine. In een aantal recente publicaties beschreef de groep van Lindsey resultaten van hun experimenteel werk, die een mogelijke oplossing voor het primaire probleem in hun eerdere werk (het ontstaan van PBG) moeten geven.

Een anaerobe atmosfeer, de afwezigheid van enzymen en het beschikbaar zijn van hogere concentraties aminolevulinezuur (ALA) en een β-keto ester (KE) (reactie I, Fig. 2) of een 2,4-diketon (1-AcOH) (reactie II, Fig. 2) in een waterige oplossing werden als randvoorwaarden aangenomen voor de simulaties. ALA werd als uitgangsstof in de experimenten gekozen, omdat dit molecuul ook in de biosynthese (ook in levende cellen) altijd het uitgangspunt voor de vorming van tetrapyrrole-macrocyclische verbindingen is (Marks 1966). Op deze manier moest worden aangetoond, dat hedendaagse fysiologische processen hun oorsprong hebben in chemische reacties, zonder deelname van enzymen. Echter, noch KE noch 1-AcOH zijn bij de biosynthese van porfyrinen betrokken. Deze beide stoffen werden bij het simulatie-experiment gebruikt, omdat zonder sturing door enzymen, ALA hoofdzakelijk met zichzelf condenseert tot dihydropyrazine (DHP) en niet tot PBG (reactie III, Fig. 2).

De reactieomstandigheden werden met betrekking tot de parameters temperatuur (70-100 °C of 28-85 °C), pH-waarde (5-7) en concentratie van de reagentia (2-40 mM of 5-240 mM) gevarieerd, om te bewijzen dat deze reacties geen al te specifieke omstandigheden vereisen (harde reactieomstandigheden). Bij de uitgevoerde reacties kon in een maximale opbrengst van 10% het macrocyclische uroporphyrinogen III (Fig. 2) verkregen worden als productmengsel met enkele nevenproducten. In deze experimenten werd dus de spontane organisatie van acht eenvoudige, acyclische moleculen tot een relatief complexe verbinding (tetrapyrrool) aangetoond. Volgens de auteurs zijn deze bevinding een aanwijzing voor de aannemelijkheid van de spontane zelforganisatie van katalysatoren, metabole cycli en voorlopers van fotosynthese-systemen.

Volgens Lindsey betreft de onderzochte reactie een indrukwekkend voorbeeld van zelforganisatie van acht acyclische moleculen (4 x ALA + 4 x KE of 4 x ALA + 4 x 1-AcOH) tot een tetrapyrrool-skelet (Lindsey 2011). Uit de opbrengst van 10% blijkt evenwel, dat die reactie niet het belangrijkste proces is. De werkelijke hoofdreactie is polymerisatie. Ook is met deze uitkomsten op geen enkele wijze het bewijs geleverd voor abiogenese van tetrapyrrolen, die in de bovengenoemde biologische functionele eenheden voorkomen. Bij alle beschreven experimenten werd geen protoporfyrine IX (Fig. 2) verkregen, maar alleen de metabole voorloper van uroporphyrinogen III (Fig. 3). Voor de verdere reactie tot protoporfyrine IX (directe voorloper van het heem-systeem of chlorofyl) zouden nog een paar vervolgstappen noodzakelijk zijn, waaronder vier regioselectieve decarboxyleringen en twee oxidatiestappen (Fig. 3).

Deze reacties verlopen in de cellen in verschillende compartimenten en met deelname van enzymen. Vooral de katalyse van de decarboxyleringen door het enzym uroporphyrinogen III-decarboxylase blijkt spectaculair, omdat de versnelling van de reactiesnelheid 6×1024 M-1 bedraagt. Het gaat hier om de meest efficiënte reactieversnelling door een enzym, die tot nu toe bekend is (Lewis 2008). Dit betekent anderzijds ook, dat de overeenkomstige ongekatalyseerde reactie extreem traag is. Derhalve is dit proces op de katalyse aangewezen. Dit past ook bij de bevindingen (With 1975) dat de ongekatalyseerde decarboxylering alleen onder zeer barre reactieomstandigheden verloopt (200 °C, 5 min). Ook de daarop volgende oxidaties van coproporphyrinogen III en protoporfyrine IX zijn problematisch onder de door Lindsey gekozen reactieomstandigheden, omdat de uitgangsverbinding ALA niet bestand is tegen de aanwezigheid van oxiderende reagentia. Feitelijk is de chemische verbinding ALA alleen bij lage pH-waarde (2.3) en onder zuurstofvrije omstandigheden enkele maanden houdbaar. Zelfs Lindsey en medewerkers gaven aan, dat deze verbinding bij -15 °C bewaard moest worden (Lindsey 2009). Deze eigenschap schetst ALA als in hoge mate ongeschikt voor een langere verblijftijd in een prebiotische wereld. Op zijn minst kan ALA niet als uitgangsverbinding worden aanvaard in een door Lindsey veronderstelde “warme wereld”.

Het cruciale probleem, dat nergens in het bovenstaande aan de orde kwam, is de vraagstelling, hoe porfynoïde verbindingen zich met andere macromoleculen hebben kunnen verbinden tot de werkelijk doeltreffende biologische structuren (fotosystemen, hemoglobine, porfyrine-bevattende enzymen). Enzymen die bijv. heem-eenheden bevatten, zijn afhankelijk van een eiwitomhulsel, omdat anders de specificiteit van de reacties belemmerd zou worden. In verband met de stofwisseling-eerst-hypothese noemt Orgel het gebrek aan specificiteit van eenvoudige voorlopers van latere, meer complexe systemen, als het onopgeloste kernprobleem (Orgel 2008): „De grootste uitdaging voor voorstanders van de stofwisseling-eerst-hypothese – de problemen veroorzaakt door het gebrek aan specificiteit van niet-enzymatische katalysatoren – zijn in het algemeen niet in aanmerking genomen.“¹ Koppelingsreacties met porfynoïde verbindingen zullen echter zonder geschikte katalysatoren uiterst moeilijk te realiseren zijn, omdat porfyrinen zeer inert zijn vanwege hun hoge thermodynamische stabiliteit. Zij vertegenwoordigen dus eerder een doodlopende weg op de route naar complexe biologische structuren, in plaats van een realistisch intermediair.

De vorming van porfynoïde verbindingen vereist een specifieke katalyse

Samengevat, kan op grond van de huidige experimenten geen samenhangend model geformuleerd worden voor het ontstaan van porfynoïde verbindingen. Hun thermodynamische stabiliteit vereist een doelgericht gestuurde chemische reactie door complexe en gespecialiseerde enzymen, zodat uit eenvoudige precursors als ALA de tetrapyrrolen 1-3 gevormd kunnen worden.

Woordenlijst

Abiogenese: Hypothetisch allereerst natuurlijk ontstaan van het leven door slechts fysisch-chemische processen, zonder de vereiste van reeds bestaand leven.

Literatuur

Eschenmoser, A., 1988, Vitamin B12: Experimente zur Frage nach dem Ursprung seiner molekularen Struktur. Angew. Chem. 100, 5-40.
Fischer, H. & Zeile, K., 1929, Synthese des Hämatoporphyrins, Protoporphyrins und Haemins. Justus Liebiegs Ann. Chem. 468, 98-116.
Krol, S., 1959, A new synthesis of porphyrin. J. Org. Chem. 24, 2065–2067.
Lewis, C.A. & Wolfenden, R., 2008, Uroporphyrinogen decarboxylation as a benchmark for the catalytic proficiency of enzymes. Proc. Natl. Acad. Sci. 105, 17328–17333.
Dogutan, D.K., Ptaszek, M. & Lindsey, J.S., 2007, Direct synthesis of magnesium porphine via 1-formyldipyrromethane. J. Org. Chem. 72, 5008-5011.
Lindsey, J.S. et al., 2009, Simple formation of an abiotic porphyrinogen in aqueous solution. Orig. Life Evol. Biosph. 39, 495-515.
Lindsey, J.S. et al., 2011, Abiotic formation of uroporphyrinogen and coproporphyrinogen from acyclic reactants. New J. Chem. 35, 65-75.
Marks, G.S., 1966, The biosynthesis of heme and chlorophyll. Bot. Rev. 32, 56-94.
Mauzerall, D., 1960, The condensation of porphobilinogen to uroporphyrinogen. J. Am. Chem. Soc. 82, 2605-2609.
Orgel, L.E., 2008, The implausibility of metabolic cycles on the prebiotic earth. PLoS Biology 6, e18.
Schaeffer, P. et al., 1993, Extraction of bound porphyrins from sulfur-rich sediments and their use for reconstruction of palaeoenvironments. Nature 364, 133.
Willstätter, R. & Fischer, M., 1913, Untersuchungen über Chlorophyll XXIII. Die Stammsubstanzen der Phylline und Porphyrine. Justus Liebigs Ann. Chem. 400, 182-194.
With, T.K., 1975, Decarboxylation of uroporphyrin by heating at atmospheric pressure. Biochem J. 147, 249-251.

Dit artikel is met toestemming overgenomen van Wort-und-Wissen. De volledige bronvermelding luidt: Schmidtgall, B., 2014, Tetrapyrrole – Biokatalysatoren der ersten Stunde?, Studium Integrale Journal 21 (2): 104-107 (Artikel).

1. „The most serious challenge to proponents of metabolic cycle theories – the problems presented by the lack of specifity of most nonenzymatic catalysts – has, in general, not been appreciated.“