de Rörsch-discussie: Prof. A. Rörsch schreef een ingezonden brief in BIOnieuws; was opponent tijdens een forumdiscussie; correspondeerde uitgebreid; zond een 'laatste commentaar' in naar BIOnieuws. Dit is het relaas. Alleen de ter zake doende elementen zijn gebruikt.

al eerder verscheen een ingezonden brief van prof. Rörsch in BIOnieuws 25-02-98     1. de inleiding van prof. A. Rörsch tijdens de forum-discussie van Ichthus te Rotterdam 25-02-98   2. de kritiek van prof. A. Rörsch tijdens de forum-discussie van Ichthus te Rotterdam 04-03-98   3. een brief met aanvullend commentaar van Rörsch op het boek Degeneratie 05-03-98   4. een eerste kort weerwoord van Peter Scheele 11-03-98   5. antwoord van Rörsch inclusief uitgebreide berekeningen voor enzym-evolutie 19-03-98   6. uitgebreid weerwoord van Peter Scheele op tegenwerpingen van prof. Rörsch Bijlage: de Geslachtsbepalende Systemen 29-03-98   7. antwoord van Rörsch op weerwoord van Scheele 21-04-98   8. begeleidend briefje van prof. Rörsch over concept artikel BIOnieuws 29-04-98   9. openstaand commentaar van Peter Scheele op artikel BIOnieuws en overige zaken 09-05-98   10. artikel in BIOnieuws: het 'bedrog' van de creationisten

de start van de belangrijkste gespreks-onderwerpen: Entropie Enzym-evolutie Cytochroom c Alleen degeneratie Ontstaan uit bestaan Wetenschap & Religie De Afrekening Een in de tekst betekent dat daarmee doorgeklikt kan worden naar de eerstvolgende bijdrage in een volgend artikel.

INHOUD
Dit is de tekst van de eerste lezing van prof. Rörsch tijdens de forum-discussie van Ichthus te Rotterdam, waarin hij een inleiding houdt op de evolutie-theorie, wat met name gaat over de evolutie van enzymen/eiwitten.

Entropie
Enzym-evolutie

 

Dit boek, (The origin of species) staat als een soort relequi in mijn boekenkast. Ik moet bekennen, ik heb het niet gelezen. Op het moment dat ik mij voor evolutietheorie begon te interesseren, begin jaren 70, was er al een veel geavanceerdere literatuur over evolutie beschikbaar, dat wil zeggen hoe complexe structuren, uit eenvoudiger kunnen, en onvermijdelijk zullen ontstaan, als er variatie is, met daarop volgende selectie is.
Ten grondslag aan deze theorie ligt, wat we nu noemen, de complexiteitstheorie, daarvoor ook wel chaos- of catastrofe theorie genoemd, omdat in het hedendaagse vakjargon, het begrip variatie is vervangen door CHAOS.
De naam Chaos-theorie is echter verlaten, omdat er geen sprake is van echte chaos, maar van zogenaamde DETERMINISTISCHE chaos. Dat is een ogenschijnlijk chaotisch verschijnsel dat optreedt, onder invloed van in verschillende richtingen werkende krachten. Verandert één van die krachten een beetje, dan kan er volgens bepaalde wiskundige wetmatigheden, orde ontstaan.

Die wiskundige wetmatigheden zijn overigens ver voor Darwin al beschreven, o.a. door Poincare, 1800, met differentiaal vergelijkingen. Deze waren echter onoplosbaar met de bestaande wiskundige technieken. Maar deze kunnen nu wel worden aangepakt, dankzij de ontwikkeling van de moderne rekentuigen. Het is dus niet verwonderlijk dat deze, wiskundige evolutietheorie in de jaren '70, met het beschikbaar komen van de geavanceerde rekentuigen, in een stroomversnelling kwam.
Mede omdat de moleculair biologen gelijktijdig de principes van zelf-organisatie van materie hadden ontdekt.
In de eerste plaats de Nobelprijswinnaar Manfred Eigen, die de zelforganisatie-vermogens van biologische macromoleculen beschreef. (The hypercycle).

Entropie
Vrijwel gelijktijdig verscheen het boek van de Nobelprijswinnaar Prigogine (Self-organization in non-equilibrium-systems). Wat zijn de principes? Wel, het valt te berekenen, dat processen die zich ver van het thermodynamisch evenwicht bevinden, waarbij, door energietoevoer, lage Entropie wordt vermenigvuldigd, het ontstaan van orde uit deterministische chaos onvermijdelijk is.
Het biologisch systeem bevindt zich per definitie ver van het thermodynamisch evenwicht. We zien bij de deling van elke levende cel, de lage entropie, de hoge orde daarvan, vermenigvuldigd. Entropie

De chaos is de variatie; nieuwe orde ontstaat door vermenigvuldiging van die variatie, gevolgd door selectie. Dat lijkt op Darwin, maar met dit verschil dat het zelf-organiserend vermogen van de materie mede in aanmerking wordt genomen. Dat werkt als een interne selectiekracht, die in de materie is ingebouwd. Zoals uit een verzadigde zoutoplossing, prachtig geordende zoutkristallen ontstaan.

Ik geef wat meer recente literatuur, jaren '90, waarin de wiskundige wetmatigheden ook op biologische systemen worden toegepast.

	Chaos in nonlinear dynamics
	Chaos, dynamics and fractals.
	The collapse of chaos.

Er blijft echter veel te verklaren over, hoe de specifieke complexe biologische organisatie, spontaan ontstaan kan zijn. Die veronderstelling was van Darwin en zijn tijdgenoot Cuvier, de paleontoloog afkomstig, en gebaseerd op de vondst van fossielen. Vergelijkend morfologisch onderzoek van de resten van uitgestorven organismen met hedendaagse, leidde tot de suggestie dat deze uitgestorvenen en de hedendaagse, gemeenschappelijke voorouders zouden hebben.
Dat model past in de hedendaagse complexiteitstheorie: stapsgewijs komt een complex systeem, via tussentijden van deterministische chaos (=variatie) tot steeds ingewikkelder organisatievormen.

enzymevolutie
De veronderstelde familieverwantschap tussen alle levende organismen, werd in de jaren '70 krachtig ondersteund door vergelijkend onderzoek van de structuur van enzymen met de zelfde functie in verschillende organismen.
Om dit duidelijk te maken moet ik wat dieper ingaan op de relatie tussen structuur en functie van een enzym.
Vrijwel alle chemische omzettingen in levende organismen worden door enzymen, teweeg gebracht. Vele enzymen treffen we altijd in alle organismen aan. Zij verzorgen dan een zelfde soort chemische omzetting. Toch verschillen hun structuren wel wat. Hoe dat kan, daarvoor moeten we dus de relatie structuurfunctie verder uitwerken.

Enzymen zijn eiwitten, dat zijn lange ketens van aminozuren. Alle eiwitten bevatten steeds de zelfde 20 verschillende aminozuren.
De specifieke volgorde van die aminozuren bepaalt de structuur en daarmee de functie van het enzym.
Echter, vele aminozuren, ca. 50%, kunnen in een enzym door een ander vervangen worden, zonder dat de functie verandert. Hoe komt dat?
Wel, omdat de functie, dat is een specifieke chemische omzetting, maar door een zeer beperkt aantal aminozuren, wordt bepaald. Het deel van het enzym waar die reactie zich afspeelt, noemt men diens lactive sitel.
Soms zijn slechts twee, hoogstens drie, aminozuren in het enzym bij de omzetting betrokken, b.v. in een ester-afbrekend enzym, histidine, serine en asparagine.
Maar die drie moeten wel in een specifieke ruimtelijke configuratie zijn geplaatst. (plaatje).

Daarvoor zorgt de aminozuur-volgorde in de rest van het enzym, maar die volgorde hoeft niet heel specifiek te zijn. Menig aminozuur kan door een ander worden vervangen, zonder de ruimtelijke structuur aan te passen.
Hoe komt dat?
Omdat de 20 aminozuren in een beperkt aantal klassen, 8, kunnen worden ingedeeld. Bijvoorbeeld de neutrale, de polaire, de basische, de zuren. Sommige klassen bestaan uit slechts éen aminozuur, b.v. proline en cysteine, omdat ze een heel bijzondere ruimtelijke configuratie hebben.

Maar binnen een klasse, kan elk aminozuur door een ander van zijn eigen klasse, worden vervangen. Bijvoorbeeld leucine, valine, threonine zijn vrijwel volledig uitwisselbaar.
Wanneer kan nu aan een specif ieke aminozuurvolgorde een heel specifieke functie worden toegekend?
Om inzicht daarin te krijgen gebruikt men vaak de metafoor van het taal-alfabet: letters in een bepaalde volgorde geplaatst, moeten een zinvolle betekenis hebben.

Ik geef een voorbeeld: Is dit in het Nederlands een zinvolle zin?

 

Op het eerste gezicht lijkt dit niet zo te zijn. Maar dan roep ik in herinnering dat eigenlijk alleen overwegend de 'active site' zinvolle betekenis moet hebben. In deze lettervolgorde zit wel degelijk iets zinvols, als we deze volgorde een beetje gaan buigen, zodat de betekenisvolle letters bij elkaar komen. Hier staat bijvoorbeeld: Bind ester.

Die buiging komt tot stand, doordat de lettergrepen BIND, ES en TER door Cysteine-aminozuren worden geflankeerd. Die vormen namelijk spontaan bruggen tussen de ketens.
Doet de rest van de volgorde van de aminozuren er weinig toe? Inderdaad weinig, want in de rest van de structuur kunnen we heel veel aminozuren door andere vervangen, volgens eerder genoemde wetmatigheid, als de vervangers maar tot dezelfde klasse behoren.

Vandaar dat enzymen met dezelfde functie, in verschillende organismen, zeer verschillende aminozuurvolgordes kunnen hebben.
Die volgordes is men gaan vergelijken. In 1970 verscheen de eerste atlas van toen bekende aminozuurvolgordes.
Bij vergelijking van de aminozuurvolgorden, komt men tot een verrassende conclusie. Organismen die de paleontologen veronderstellen een gemeenschappelijke vooronder te hebben, vertonen weinig verschil in aminozuurvolgorde. Minder verwante organismen, grotere verschillen. En de grootte van het verschil is evenredig met de veronderstelde afstand in verwantschap.

Men maakt van de aminozuurvolgorde verschillen een matrix en kan zo meer of mindere verwantschap vaststellen. En als het ware een stamboom opstellen, hoe langzamerhand deze veranderingen geïntroduceerd kunnen zijn.
Maakt men zo'n stamboom, bijvoorbeeld voor cytochroom C, dan leidt men daaruit de volgende afstammingsrelatie tussen de organismen waarin het voorkomt, af.

Speelt men het zelfde spelletje, met enige andere honderden enzymen, dan wordt steeds de zelfde conclusie bereikt. Dit maakt welhaast de conclusie onontkoombaar, dat alle levende organismen een gemeenschappelijke vooronder moeten hebben. Het 'overall' plaatje van die stamboom geeft dit aan, voor de hele levende natuur.

Nogmaals een toelichting op het beeld. Voor elk enzym was in het oerorganisme een oerstructuur aanwezig. In dit enzym werden bij elke generatie bepaalde aminozuren vervangen, die niet essentieel voor de functie zijn. Bij vertakking, de splitsing in verschillende soorten, wordt in elke nieuwe soort een specifieke volgorde gefixeerd. Het proces gaat stapsgewijs door, tot tenslotte in alle hedendaagse organismen een behoorlijke variabiliteit wordt waargenomen. Maar die variabiliteit is afhankelijk van het tijdstip waarop die splitsing heeft plaats gevonden.

We kunnen ook nog iets zeggen over dat tijdstip. Als we voor de snelheid van vervanging bij elke generatie een constante waarde veronderstellen, kan worden teruggerekend wanneer die splitsing moet hebben plaats gevonden.
Zie hier enige voorbeelden uit de atlas voor een aantal hormonen in hogere organismen.
Het is zeer de vraag of die snelheid wel zo constant veronderstelt mag worden. Elk enzym verandert zijn structuur met een eigen snelheid. Dat hangt samen met de tolerantie aan vervangingen die is toegestaan. Neemt men voor elk enzym een eigen constantie vervangingssnelheid aan, dan komt er toch een consistent beeld uit voor de tijdschaal van het hele proces. Namelijk dat 600 miljoen jaar geleden de splitsing in dierenrijk en plantenrijk heeft plaatsgevonden, 2 miljard jaar geleden die in pro- eu-caryoten en archaee, en dat de structuur evolutie, daaraan nog zo'n 1 tot 2 miljard jaar aan vooraf zou gegaan.

Voor alle duidelijkheid, de tolerante vervangingen die hier zijn genoemd, hebben op zich zelf geen evolutionaire betekenis, omdat ze merendeels buiten de lactive sitel plaats vinden. zij zijn slechts de SPOREN die bij de soortvorming zijn achtergelaten. En die sporen worden gebruikt om de veronderstelling te onderbouwen dat alle organismen uit een oervorm zijn voortgekomen.
De werkelijke evolutie van enzymen, dat is de vorming van 'active sites'. is een ander verhaal, waar ik in verband met de tijd nu nu op in kan gaan, maar moet volstaan met de opmerking dat het een tamelijk simpel proces is, van spontane vouwing van een keten rond een zeer beperkt aantal essentiele aminozuren die de active site vormen, zoals weergegeven in een eerder plaatje. Ik heb daarover wat berekeningen uitgevoerd, die misschien later nog aan de orde kunnen komen. Enzym-evolutie