AZ ÉLET KELETKEZÉSE egy kis kémia a biológiához

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "AZ ÉLET KELETKEZÉSE egy kis kémia a biológiához"

Miklós Székely
5 évvel ezelőtt
Látták:

1 AZ ÉLET KELETKEZÉSE egy kis kémia a biológiához Dr. Kun Ádám, PhD okleveles biológus, okleveles vegyész Növényrendszertani, Ökológiai és Elméleti Biológiai Tanszék ELTE-MTA-MTM Ökológiai Kutatócsoport

2 TARTALOMBÓL Prebiotikus kémia Önreplikáció Felületi anyagcsere Kompartmentek Kromoszóma Összetett anyagcsere Genetikai kód Fehérje szintézis DNS

3 Életet létrehozni egyszerű

4 Életet élettelenből előállítani kevésbé...

5 Út az élethez Az összetettség növekedése Monomer Makromolekula Protosejtté integrálás Funkció szerzés

6 Az élet építőelemei AUTO- CATALYSIS Autocatalytic cycles in metabolism Evolution of metabolism A monomerek és makromolekulák prebiotikus szintézise Kiindulási anyagok elérhetőek prebiotikus körülmények között A szintézis útja elképzelhető prebiotikus körülmények között

7 Az élet építőelemei Funkció Monomer Makromolekula katalizátor (enzim) információ hordozó aminosav nukleotid (bázis, cukor) fehérje DNS / RNS membrán zsírsavak micella, lipid vezikulum

8 Aminosavak

9 Aminosavak - Miller-Urey kísérlet Metán (CH 4 ) Ammónia (NH 3 ) Hidrogén (H 2 ) Víz (H 2 O) Elektromos kisülés Aminosavak (glicin, szarkozin, alanin) Stanley L. Miller (1953): Production of amino acids under possible primitive Earth conditions. Science 117:

10 Nukleotidok DNS/RNS alkotó elemei Nukleotid = nukleobázis + ribóz + foszfát Guanozinmonofoszfát Adenozinmonofoszfát Uridin-MP dtimidin-mp Citidin-monofoszfát

11 Nukleotidok - cukrok Formóz reakció Borát felszínen leginkább ribóz CH2O formaldehid CH2O CHO CH 2 OH CHO CH2O CH2O CHOH C O CH 2 OH CH 2 OH CH 2 OH glikolaldehid glicerinaldehid dihidroxiaceton CH 2 OH C O CHOH CH 2 OH ketotetróz CHO CHOH CHOH CH 2 OH aldoktetróz pentóz hexóz Butlerov, A C. R. Acad. Sci. 53: Ricardo, et al Borate Minerals Stabilize Ribose A. Science 303: 196

12 Nukleotid nukleobázis szintézise Cianid polimerjeként is felfogható az adenin C NH NH 2 H C N + - C N H C C N HCN N C CH N HCN N N C C C C C NH 2 N HN CH NH 2 N C formamidin H 2 N N N H HN CH NH 2 N NH 2 N adenin N N H Zubay, G. and T. Mui (2001). Prebiotic synthesis of nucleotides. Origins of Life and Evolution of the Biosphere 31: Orgel, L. E. (2004). Prebiotic adenine revisited: eutectics and photochemistry. Origins of Life and Evolution of Biospheres 34(4):

Nukleotid nukleobázis szintézis Meteor becsapódáskor felszabaduló energiák során is keletkezhetnek nukleobázisok Ferus, M., Nesvorný, D., Šponer, J., Kubelík, P.

13 Nukleotid nukleobázis szintézis Meteor becsapódáskor felszabaduló energiák során is keletkezhetnek nukleobázisok Ferus, M., Nesvorný, D., Šponer, J., Kubelík, P., Michalčíková, R., Shestivská, V., Šponer, J. E. and Civiš, S Highenergy chemistry of formamide: A unified mechanism of nucleobase formation. PNAS 112:

14 Nukleotid nukleobázis szintézise 2 Formamid, egy egyszerű molekula, ami alapja lehet a nukleotidoknak Saladino, R., Crestini, C., Pino, S., Costanzo, G. and Di Mauro, E Formamide and the origin of life. Physics of Life Reviews 9:

15 Nukleotid nukleobázis szintézise 2 Saladino, R., Crestini, C., Pino, S., Costanzo, G. and Di Mauro, E Formamide and the origin of life. Physics of Life Reviews 9:

16 Nukleotid nukleotid szintézis Az egész folyamat nem egy helyen játszódik le. A levegő, a víz, de száraz (vízmentes) helyek is kellenek hozzá! Benner, S. A., Kim, H.-J. and Carrigan, M. A Asphalt, water, and the prebiotic synthesis of ribose, ribonucleosides, and RNA. - Accounts of Chemical Research 45:

Nukleotidok - makromolekulák 40-50 tagú oligomerek montmorillonit agyag

17 Nukleotidok - makromolekulák tagú oligomerek montmorillonit agyag felszíneken előállnak Montmorillonit vulkanikus hamuból keletkezik Perris, J. P Montmorillonite catalysis of mer oligonucleotides: laboratory demonstration of potential steps in the origin of the RNA world. Orig. Life & Evol. Biosphere 32,

18 Genetika kémiai alapjai: Bázispárok A C-G és a A-U(T) bázispárok hidrogéngidakkal kapcsolódnak Minden esetben egy nagyobb térigényű bázis (G v. A) van szemben egy kisebb térigényű bázissal (C v. U/T) DNS / RNS kettősspirál

19 Genetika kémiai alapjai: Bázispárok Kémiailag sokféle bázis elképzelhető 3 hidrogénhíd alakulhat ki A hidrogénhidak akceptor/donor jellege alapján 8 bázispár képzelhető el (16, ha a méretet is figyelembe vesszük)

20 Membránok - lipidek Glicerin + zsírsavak + foszfátcsoport Hidrofil fej és hidrofób farok Telített vagy telítetlen zsírsavak Prebiotikus körülmények között a hosszú egyenes zsírsavak keletkezése nehézkes.

21 Membránok - makromolekula Membrán kialakulás A micellák és membránok autokatalitikusan kialakulnak Ön-összeszerelődés (self-asembly)

22 Az élet építőkövei Funkció Monomer Makromolekula katalizátor (enzim) aminosav fehérje? információ hordozó nukleotid (bázis, cukor) DNS / RNS membrán zsírsavak micella, lipid vezikulum

23 Enzimek Miért kellenek? Reakciók lassúak (pl. vízkilépés, CO 2 megkötés) Gyorsabbnak kell legyen a lebomlásnál Térszerkezeti problémák Reakciók nem specifikusak (rengeteg mellékreakció is végbemegy) Nem sztereospecifikusak, racém keletkezik Kiindulási anyag Szubsztrát Aktív hely Az enzim alakja kissé megváltozik ahogy a szubsztrátok kötődnek Termékek Szuszbsztrát kötődik az enzim aktív helyéhez Enzim-szubsztrát komplex Enzim-termék komplex A termék elhagyja az enzim aktív helyét

24 Enzimek - enantiomerek Számos molekula királis, azaz két változata van, amely fedésbe nem hozható, hasonlóan a két kezünkhöz. A két enantiomer biológiai hatása eltérő lehet Racém monomerből nem lehet rendes polimert előállítani. COOH H C NH 2 CH 3 D-alanin H HO H H CHO C C C C OH H OH OH CH 2 OH D-glükóz COOH H 2 N C H CH 3 L-alanin CHO HO C H H C OH HO C H HO C H CH 2 OH L-glükóz

25 Enzimek ma - DNS-fehérje világ A DNS / fehérje világ előtt Ma élő élőlényekben Az információdns-ben tárolódik Fehérjék az enzimek Fehérje Kódolja DNS Replikál Monomert állít elő

26 RNS világ egy RNS világ volt RNS enzimként is működhet és információt is tárolhat! Replikálódik, hogy enzimet kapjunk RNS RNS Reakciókat katalizál, monomert állít elő DNS stabilabb és a fehérjék jobb enzimek

RNS világ rá utaló jelek 1 Természetes RNS

Hajtűhurok Hepatitis Delta Vírus és társai

27 RNS világ rá utaló jelek 1 Természetes RNS enzimek (ribozim) Mindegyik RNS hasítást katalizál I. Csoportbeli intronok II. Csoportbeli intronok RNáz P Kalapácsfej Hajtűhurok Hepatitis Delta Vírus és társai Neurospora Varkund Satelite RNS glms ribozim twister ribozim

28 RNS világ rá utaló jelek 2 Koenzimek: valamilyen specifikus kémiai csoport átadásában résztvevő metabolitok (rengeteg reakcióban) Acetyl koenzim A (koenzim A): acetyl csoport NADH, FADH 2 (NAD +, FAD): hidrogén és elektron ATP (ADP): nagyenergiájú foszfát NADP NAD FAD CoA ATP

29 RNS világ rá utaló jelek 3 Transzláció mrns trns riboszóma A DNS fehérje átmentet (transzláció) RNS közvetítésével történik Riboszómában a peptidil transzfert egy ribozim végzi!

30 RNS világ lehetőségei Mesterségesen evolvált enzimek Nukleotid képzés pirimidinből és aktivált ribózból Fehérje szintézis Membrántranszport Redox reakciók (energiatermelés) Legjobb RNS alapú RNS polimeráz kb. 200 bázis hosszú és 98 nuklotidot tud egy templát alapján hozzákapcsolni egy oligonukleotid lánchoz 99.9%-os másolási hűséggel.

31 A megfejtetlen rejtély nukleotidok Oligo-nukleotidok ásványi felszínen ribozimok RNS IV V 680 c a ugaaauug -U- CguAgCAGU U u g acuuuaac GUaUUGUCA C U ug G A UC-G G 700 U A U C-G III A-U C-GA 660 U-A A gcgguaguaagc AgGA A C-G GCU AA 5 GUG-A-CGGuAuUggc g uaagag cguucg-ccc u GAACACGA CAC GAC GUUaUgAcug a a II VI 690

32 A megfejtetlen rejtély Kódolja Membrán fehérje RNS DNS monomert állít elő replikálja monomert állít elő

33 Ajánlott irodalom Szathmáry Eörs és John Maynard Smith A földi élet regénye. Vince Kiadó. Kun Ádám Az RNS Világ. Természet Világa 142:

Hasonló dokumentumok

Kun Ádám. Növényrendszertani, Ökológiai és Elméleti Biológiai Tanszék, ELTE MTA-ELTE-MTM Ökológiai Kutatócsoport. Tudomány Ünnepe,

Kun Ádám. Növényrendszertani, Ökológiai és Elméleti Biológiai Tanszék, ELTE MTA-ELTE-MTM Ökológiai Kutatócsoport. Tudomány Ünnepe, Kun Ádám Növényrendszertani, Ökológiai és Elméleti Biológiai Tanszék, ELTE MTA-ELTE-MTM Ökológiai Kutatócsoport Tudomány Ünnepe, 2016.11.22. Miskolc Kun Ádám: A víz szerepe az élet keletkezésében. Tudomány